技術 熱解析方法およびそのプログラム

0001

本発明は、熱解析方法およびそのプログラムに係り、特に、物体の周囲で流動する流体の影響を考慮した物体内部の熱解析に好適な熱解析方法およびそのプログラムに関する。

0002

物体内部の熱解析を行う技術として、特許文献１には、エンジンブロックの内壁面（シリンダブロックやシリンダヘッドの表面）と筒内ガスとの境界条件として、熱伝達が生じる熱伝達境界面および各境界面における入熱および出熱に対応した熱伝達率を設定し、さらに仮想の熱伝達境界面の温度および前記熱伝達率を用いて熱解析を実施し、解析結果と目標値との偏差が基準範囲内に収まるまで熱解析を繰り返す技術が開示されている。
特開２００３−４２９８４号公報

0003

物体内部の定常状態における熱解析を行う場合は、物体内部のみの熱解析を行えば良い。図５は、エンジンの定常状態における燃焼変化のみを解析する手順を示した図であり、ステップS５１では、各種初期条件と共に熱伝達境界面の温度等の条件が実測値または仮定値として入力される。ステップS５２では、入力された初期条件からエンジンブロック内壁の熱境界条件が設定される。ステップＳ５３では、設定された熱境界条件を用いて、筒内ガス流動解析および燃焼解析が実行され、ステップＳ５４において、熱解析結果が出力される。

0004

しかしながら、物体の外部で流動する流体が存在する場合には、この流体の流動が物体に与える熱的影響を考慮して物体内部の熱解析を行う必要がある。この場合でも、物体外部の流動解析と物体内部の熱解析との連成計算を行えば、理論的には物体外部の流体の流動を考慮した物体内部の熱解析が可能である。

0005

図６は、筒内ガス、エンジンブロックおよび冷却流体の３つの熱連成計算を行って燃焼解析を行う手順を示したフローチャートであり、エンジンブロックの内壁面と筒内ガスとの境界条件を設定し、さらにエンジンブロックの外壁面と冷却流体との境界条件を設定し、さらに各熱伝達境界部において、熱解析結果と目標値との偏差が基準範囲内に収まるまで熱解析を繰り返さなければならない。したがって、計算量が膨大になって収束計算に長時間を要してしまうという技術課題があった。

0006

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、物体の周囲を流れる流体の影響を考慮した物体内部の熱解析を、十分な精度を確保しながら短時間で行える熱解析方法およびそのプログラムを提供することにある。

0007

上記した目的を達成するために、本発明は、物体を有限個の要素に分割する対象領域分割を行い、この対象領域分割結果に対して、物体の熱伝導計算の壁境界条件を適用して前記物体内部の熱解析を行う熱解析方法において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
(1)物体の周囲を流動する冷却流体の挙動を計算して、その流速および乱流成分を求める第１手順と、前記物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率を、前記冷却流体の流速および乱流成分に基づいて計算する第２手順と、前記算出された熱伝達率を利用して、前記物体内部の熱解析を行う第３手順とを含むことを特徴とする。
(2)前記物体が、その内部に燃焼室が形成されたエンジンブロックであり、エンジンブロック内外壁の熱境界条件を更新する第４手順と、燃焼ガス流動および燃焼計算を行う第５手順と、前記計算結果に基づいて、前記エンジンブロック内壁の境界条件を更新する第６手順と、前記境界条件が収束するまで、前記第４手順から第６手順までを繰り返させる第７手順とを含むことを特徴とする。
(3)前記冷却流体の挙動計算が、運動量保存式の計算、圧力方程式の計算および乱流モデルの計算を含み、エネルギ保存式の計算を含まないことを特徴とする。
(4)前記第１手順において、前記冷却流体の挙動計算が任意の複数点の車両速度に関して実行され、前記第２手順において、物体の外壁と冷却流体との熱伝達境界における熱伝達率が前記複数点の車両速度ごとに計算され、さらに、車両速度ごとに計算された熱伝達率に基づいて、前記複数点以外の車両速度における熱伝達率を補間することを特徴とする。
(5)請求項１ないし４のいずれかに記載の熱解析方法をコンピュータに実行させる熱解析プログラムであることを特徴とする。

0008

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)請求項１，５の発明によれば、物体の周囲に流れる流体が物件内部に与える影響を固定的な熱伝達率として、物体内部の熱解析に用いる事が可能であるため、物体内部の熱解析時に流体の解析を同時に行ない、収束計算を行う事が不要となる。したがって、収束計算が省略される事により、物体内部の熱解析を短時間で行えるようになる。
(2)請求項２の発明によれば、エンジンブロックのように内部に燃焼室を有し、物体内部に燃焼解析を要するような熱解析であっても、物体外部の流体の流動計算は連成させる必要がないので、エンジンブロック周囲に流れる流体の冷却を考慮した燃焼室内の熱解析が短時間で行えるようになる。
(3)請求項３の発明によれば、冷却流体の挙動計算においてエネルギ方程式の計算が不要になるので、冷却流体の挙動計算が簡単になる。
(4)請求項４の発明によれば、数点の車両速度における熱伝達計算を行うのみで、物体周囲の流動計算を完了する事ができる。

0009

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る熱解析装置の主要部の構成を示したブロック図であり、熱伝達率の初期値や特定点の温度等を入力するキーボード、マウス、ジョグダイヤル等を含む入力装置１と、各種の関数計算を実行して熱解析を行う解析部２と、熱解析結果を出力する表示部３と、解析対象となる物体の形状データとして、その３次元モデルまたは有限要素分割モデルが記憶されているファイルシステム４を主要な構成としている。

0010

図７は、前記熱解析装置の機能ブロック図であり、解析対象となる物体の形状データを出力する形状データ出力部３１と、前記形状データに基づいて熱伝達率計算を行う熱伝達率計算部３２と、前記形状データ出力部３１から形状データを読み込み、さらに熱伝達率計算部３２から熱伝達率を読み込んで熱伝導解析を行う熱伝導解析部３３と、前記熱伝導解析の結果として得られる温度分布を表示する温度分布出力部３４とを含んでいる。前記熱伝達率計算部３２は、流体の挙動計算を行う機能３２ａと、この解析結果に基づいて熱伝達率を計算する機能３２ｂとを含んでいる。

0011

図８は、本実施形態において解析対象とされるエンジン１０の主要部の構成を示したブロック図であり、エンジンブロック１１と、その内部で上下動するピストン１２と、前記ピストン１２の上下動を回転運動に変換するクランク機構１３とを含み、その燃焼室１４の容積はピストン１２の位置に応じて変化する。エンジンブロック１１の周囲では流体が流動している。

0012

図１において、前記解析部２は、エンジンの３次元モデルを作成し、FEM解析のために３次元モデルの領域分割（メッシュ切り）を行って有限要素を作成する形状算出部２０と、エンジンブロックの外壁面近傍における冷却流体の流速と乱流成分とに基づいて、前記エンジンブロック外壁面での熱伝達率分布αn(α1，α2…)を算出する熱伝達率算出部２１と、前記有限要素に分割されたエンジンブロックの内壁面の複数位置における熱流束分布qn(q1，q2…)を用いて当該エンジンブロックの温度分布を求める温度分布算出部２２と、求められた温度分布からエンジンブロック内壁の熱流束分布を求める熱流束算出部２３と、求められたエンジンブロック内壁の熱流束と仮定したエンジンブロック内壁の熱流束との偏差を求め、この偏差が所定範囲内か否かを判別する偏差算出・判別部２４と、前記偏差が所定範囲外と判別されたとき前記熱流束分布qnを更新する熱流束更新部２５とを機能的に備えている。

0013

次いで、本発明に係る熱解析方法を、図２，３，４のフローチャートを参照して説明する。プログラムが開始されると、はじめに入力装置１から入力された３次元モデル、あるいはファイルシステム４から読み込まれた３次元モデルが、前記形状算出部２０により、FEM解析のためのメッシュまたは有限要素に分割される。なお、ファイルシステム４から読み込まれた形状データが既に有限要素に分割されている場合には、当該分割処理は省略される。

0014

有限要素分割が終了すると、図２のステップＳ１において、エンジンブロックの有限要素分割された形状データが入力されると共に、初期条件として車両速度、大気圧力および流体の粘性係数が入力される。さらに、後述するステップＳ４で参照される外気温とエンジンブロック外壁面の温度分布および内壁面の熱流束分布に初期値が設定される。ステップＳ２では、前記メッシュまたは有限要素分割モデルに対して、運動量保存式、圧力方程式および乱流モデル式の基礎方程式を利用して、エンジンブロック外壁面近傍での流体の挙動解析が行われ、各部の流速および乱流成分が求められる。この解析は、前記熱伝達率計算部３２の流体挙動解析機能３２ａにより行われ、その解析結果が熱伝達率計算機能３２ｂへ出力される。

0015

図３は、前記流体の挙動解析手順を示したフローチャートであり、ステップＳ１０１では、流速分布、圧力分布および粘性係数の仮定値をパラメータとして、ｘ，ｙ，ｚの各軸の運動量保存式が計算され、前記仮定された流速分布が更新される。ステップＳ１０２では、質量方程式から導かれた圧力方程式を前記更新後の流速分布に適用し、前記仮定された圧力分布が修正される。ステップＳ１０３では、更新後の流速分布を用いて、乱流モデル式により乱流を考慮した粘性係数が計算される。本実施形態では、外壁境界条件を考慮して低レイノルズ数型k-ε乱流モデルと壁関数とを組み合わせたモデルを用いて、壁面近傍での冷却流体の流速および乱流成分が求められる。

0016

なお、従来技術では前記ステップＳ１０３の乱流モデル式の計算に続いてエネルギ保存式が計算され、熱伝達境界面に流出入する熱量が求められるが、本実施形態では、エンジンブロックの外壁に関しては熱伝達率分布αnが特定の車速に対して固定的に求められるので当該手順が省略されている。したがって、本実施形態では冷却流体の挙動計算が簡単になる。ステップＳ１０４では収束判定が行われ、流体の流速分布、圧力分布および粘性係数の全ての計算結果が所定の収束条件を満足するまで上記した各処理が繰り返される。

0017

図２へ戻り、ステップＳ３では、前記ステップＳ２で求められた流体の流速分布およびその乱流成分に基づいて、エンジンブロック外壁の熱伝達率分布αnが、その熱境界条件として求められる。本実施形態では、次式(1)に示したように、強制対流場での熱伝達率を求めるカルマン(T.von Karman)のアナロジーに基づいて熱伝達率α1が計算される。この熱伝達率は、前記熱伝達率計算部３２の熱伝達率計算機能３２ｂにより行われる。

0018

0019

ここで、「ρ」は冷却流体の密度、「Us」は壁面近傍での冷却流体の流速、「τw」はせん断応力、「Pr」はプラントル数であり、前記せん断応力「τw」は前記エンジンブロック壁面近傍での乱流成分から求められる。

0020

続くステップＳ４以降では、前記熱伝導解析部３３によって熱伝導解析が行われる。ステップＳ４では、前記ステップＳ３で求められた熱伝達率分布αnから次式(2)を用いて外壁の熱流束分布qoが求められる。さらに、ここで求められた外壁の熱流束分布qoと内壁の熱流束分布とを用いて、前記エンジンブロックの内外壁および内部の温度が、エネルギー保存式の計算を、その計算結果が収束するまで繰り返すことにより求められる。

0021

（数２）
qo＝α（T−Tx） ・・・（２）

0022

ここで、「T」は外壁温度、「Tx」は外気温である。ステップＳ５では、前記ステップＳ４で求められた熱伝導計算結果に基づいて、前記熱流束更新部２５により、エンジンブロックの内外壁境界条件である外壁温度と内壁の熱流束分布とが更新される。ステップＳ６では、前記ステップＳ４で求められた内壁温度を用いて燃焼ガス流動および燃焼計算が行われる。

0023

図４は、前記燃焼ガス流動および燃焼計算の手順を示したフローチャートであり、ステップＳ２０１では運動量保存式が計算される。ステップＳ２０２では、質量方程式から導かれた圧力方程式が計算される。ステップＳ２０３では、乱流モデル式の計算が行われる。ステップＳ２０４では、噴霧粒子の輸送モデル式が計算される。ステップＳ２０５では、化学反応および発熱量が計算される。ステップＳ２０６では、エネルギー保存式が計算される。ステップＳ２０７では、気体の状態方程式やガス輸送（拡散方程式）の計算が行われる。ステップＳ２０８では収束判定が行われ、各計算結果が収束するまでステップＳ２０１へ戻って上記した各処理が繰り返される。

0024

図２へ戻り、ステップＳ７では、エンジンブロック内壁の境界条件が更新される。すなわち、前記エネルギー保存式の計算（ステップＳ２０６）で求められたエンジンブロック内壁面の熱流束分布の値が、次のエンジンブロック内の熱伝導計算（ステップＳ４）の境界条件として用いられるようにする。ステップＳ８では収束判定が行われ、前記ステップＳ６で求められた内壁の熱流束分布およびステップＳ５で更新された外壁温度と前記ステップＳ４での計算の際に用いられた内壁の熱流束分布と外壁温度との差が比較される。両者の偏差が基準値を超えており、未だに収束していないと判定されれば、ステップＳ４へ戻って上記した各処理が繰り返される。ステップＳ８において、両者の偏差が基準値を下回っており、既に収束していると判定されればステップＳ９へ進む。ステップＳ９では解析結果が出力される。

0025

ステップＳ１０では、クランク角度が所定の角度だけ更新される。すなわち、本実施形態では、エンジンブロック内でクランク軸の回転に伴い上下動するピストンの位置によって燃焼室形状が連続的に変化するため、ステップＳ１０では、クランク角度が所定の角度だけ更新され、その後、ステップＳ４へ戻って上記した各処理が繰り返される。

0026

なお、前記ステップＳ１において、数点の車両速度を初期条件として設定し、ステップＳ２における冷却流体の挙動計算を前記数点の車両速度に関して実行し、ステップＳ３において、前記数点の車両速度に対応する熱伝達率を算出すると共に、これに基づいて数点以外の車両速度での熱伝達率を補間により求め、車両速度ごとに求められた熱伝達率を用いてステップＳ４以降の計算を行い、エンジンブロック内の燃焼解析を行なうようにすれば、熱伝達率計算を車両速度の連続的変化に対応して、それぞれ計算する必要がないため、冷却流体の挙動計算回数を削減できるようになる。

0027

本発明に係る熱解析装置のブロック図である。
本発明に係る熱解析方法の手順を示したフローチャートである。
冷却流体の挙動計算手順を示したフローチャートである。
筒内ガス流動および燃焼計算手順を示したフローチャートである。
従来の熱解析手順の一例を示したフローチャートである。
従来の熱解析手順の他の一例を示したフローチャートである。
熱解析装置の機能ブロック図である。
解析対象とされるエンジンの主要部の構成を示したブロック図である。

0028

１…入力装置，２…解析部，３…表示部，２０…形状算出部，２１…熱伝達率算出部，２２…温度分布算出部，２３…特定点温度算出部，２４…偏差算出・判別部，２５…熱伝達率更新部