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3DEXPERIENCE Worksの流体解析ロール「Fluid Dynamics Engineer（略称：FMK）」では粒子シミュレーション機能を使用し、流体の流れ内の液体/固体粒子の動きをシミュレートできます。
今回はFMKを含む2つの解析ソフトでサイクロン分離機内の粒子シミュレーションを実施し、結果比較した事例をご紹介いたします。
CASE
サイクロン分離器内の流体解析・粒子法シミュレーション【3DEXPERIENCE Works Simulation事例】
流体解析における粒子シミュレーションについて
流体解析における粒子シミュレーションのアプローチ方法は大別すると下記の2種類があります。
■ 片方向運動量連成
周囲の流体は粒子に運動量を伝達できますが、粒子は周囲の流れに運動量を伝達できません。つまり、周囲の流体は粒子の動きに影響を与えますが、その逆の影響は考慮されません。この方法では一般的に流れ解析を実行後、ポスト処理として粒子シミュレーションを実行します。この方法の主な利点は、粒子シミュレーションを数秒で実行できることです。
■ 双方向運動量連成
粒子と流体の間で運動量を双方向に伝達します。そのため、周囲の流体の流れと粒子の動きは相互に影響し合います。これにより、流体と粒子間の相互作用をより正確に計算できます。この方法では一般的に流れ解析と粒子シミュレーションを同時に実行します。
検証概要
■ 解析対象物
サイクロン分離器内の流体解析及び粒子シミュレーションを実施しました。
※サイクロン分離器とは？
流体から固体粒子を分離するために使用される装置です。工業用途でよく使用され、掃除機などの家庭用製品にも使用されています。ご自宅で掃除機の動作中、ダストカップ内にほこりがグルグル回転しているのが見える場合は、恐らくサイクロン式です。
■ 使用ソフトウェア
今回の検証ではFluid Dynamics Engineer（3DEXPERIENCE Works流体ロール）、SOLIDWORKS Flow Simulationの2種類のソフトで粒子シミュレーションを実施し、結果を比較します。2ソフト間の解析能力の違いは下記の通りです。
解析条件
■ 解析タイプ
| SOLIDWORKS Flow Simulation | 3DEXPERIENCE Works Simulation | |
| 流れ解析 | 定常 | 非定常 |
| 粒子解析 | 定常 | 非定常 |
| 運動量連成 | 片方向 | 双方向 |
| 非定常解析設定 | ・シミュレーション物理時間：40秒 ・粒子注入物理時間：0~2秒（以降粒子注入を停止） ・流入物理時間：0~3秒（以降流体流入を停止） |
■ 境界条件および粒子条件（両ソフトで共通）
解析結果
アニメーションを見ると、SOLIDWORKS Flow Simulationでは粒子の流れが安定しており、定常状態になっています。装置内で粒子がどこへ移動するか、大まかには把握できますが、粒子から空気への運動量伝達が起こらないため、粒子の挙動が安定しすぎているように見えます。
3DEXPERIENCE FMKでは、Flow Simulationよりも現実的な粒子の挙動を示しています。物理時間の最初の2秒間に粒子の注入を設定し、3秒後に入口の流速をゼロに下げています。これにより、装置の電源がオフになった時に粒子がどのように移動するかを確認することができます。
| SOLIDWORKS Flow Simulation | 3DEXPERIENCE Works Simulation | |
| 計算時間 | 流体解析：24秒 粒子スタディ（ポスト処理）：数秒 |
流れ解析＋粒子解析(同時実行)：2時間56分 |
| 解析条件 | 定常解析・片方向連成 | 非定常解析・双方向連成 |
|
|
|
SOLIDWORKS Flow Simulation（通常再生） |
SOLIDWORKS Flow Simulation（スロー再生） |
3DEXPERIENCE FMK（通常再生） |
3DEXPERIENCE FMK（スロー再生） |
まとめ
3DEXPERIENCE Works SimulationのFluid Dynamics EngineerおよびSOLIDWORKS Flow Simulationを使用して粒子シミュレーションを実施した事例をご紹介いたしました。非定常解析、双方向運動量連成での解析を実施できるFluid Dynamics Engineerにおいて、より現実的な粒子挙動の結果を取得できることがわかりました。
使用ソフトウェア（3DEXPERIENCE Works Simulation 熱流体解析）
・Fluid Dynamics Engineer | クラウド型 熱流体解析ソリューション
https://www.sbd.jp/products/flow/fluid-dynamics-engineer.html
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解析事例
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