【流体】3DEXPERIENCEを使用した非定常解析における粒子モデリング

2025年06月16日

背景

本コラムでは、3DEXPERIENCE Works SimulationのFluid Dynamics Engineer（略書：FMK）「粒子モデリング」機能をご紹介いたします。こちらの機能により、SOLIDWORKS Flow Simulationの「粒子スタディ」と同様に流体の流れ内の液体または固体粒子の動きをシミュレートできます。

SOLIDWORKS Flow Simulationの粒子スタディとの違い

SOLIDWORKS Flow Simulationの粒子スタディ機能は実際の流体解析ではなくポスト処理になります。周囲の流体流れの計算が完了した後に実行できます。また、非定常解析と組み合わせて使用することはできず、定常解析のみ対応しています。

実行の流れとしては、まず流れ解析を実行し、その結果のポスト処理で粒子スタディを実行します。周囲の流れの状況は流れ解析中にすでに計算されているため、粒子スタディによって変化しません。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。これは、「片方向運動量連成」と呼ばれます。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。この方法の主な利点は、粒子スタディを数秒で実行できることです。

SWFS粒子スタディの実行流れ

FMKでは、粒子スタディは実際の流れ解析として実行されます。実行の流れは2つあります：

１．定常流体解析の場合は、粒子スタディは流れ解析の実行後に自動的に非定常解析として実行されます。これは「片方向運動量連成」のみ対応します。

２．非定常流体解析の場合、粒子スタディをその非定常解析と同時に実行します。時間依存の粒子注入条件も設定が可能であり、粒子と流体の間で運動量を双方向に伝達できる「双方向運動量連成」を使用することも可能です。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。

FMK粒子スタディの実行流れ

ベンチマーク比較

ベンチマークとして、サイクロン分離器内の流体解析及び粒子モデリングを実施しました。サイクロン分離器は、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。

SWFS vs FMK

アニメーションを見ると、SOLIDWORKS Flow Simulationの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。

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。

まとめ

今回のコラムでは、3DEXPERIENCE Works SimulationのFluid Dynamics Engineerロールの「粒子モデリング」機能をご紹介しました。非定常解析に対応していることでSOLIDWORKS Flow Simulation よりも現実的な結果を取得できることがわかりました。

[From Jason Matthews KOK SHUN]

使用ソフトウェア（3DEXPERIENCE Works Simulation）

・製品ページ　Fluid Dynamics Engineer ロール
https://www.sbd.jp/products/kozo/3dexperience_works_simulation.html

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