JP7247845B2 - Heat transfer analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、熱源と該熱源からの熱を受ける構造体とを含む系における該構造体の伝熱解析を行う伝熱解析装置に関する技術分野に属する。 The present invention belongs to a technical field related to a heat transfer analysis apparatus for performing heat transfer analysis of a structure including a heat source and a structure receiving heat from the heat source.
従来より、熱源からの熱を受ける構造体の伝熱解析(シミュレーション)を行う伝熱解析装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1の伝熱解析装置では、計算モデルの規模を小さくして計算時間を短くするために、1次元の伝熱モデルを用いて、構造体の伝熱解析を行うようにしている。但し、伝熱解析の精度を向上させるために、伝熱要素の環境変化に合わせて伝熱モデルを修正するようにしている。
Conventionally, there is known a heat transfer analysis apparatus that performs heat transfer analysis (simulation) of a structure that receives heat from a heat source (see, for example, Patent Document 1). In the heat transfer analysis apparatus of
しかしながら、1次元の伝熱モデルのみでは、正確な伝熱解析を行うことが困難な場合がある。例えばエンジンピストンの伝熱解析を行う場合には、通常、3次元の伝熱モデルを用いる必要がある。 However, it may be difficult to perform accurate heat transfer analysis only with a one-dimensional heat transfer model. For example, when conducting a heat transfer analysis of an engine piston, it is usually necessary to use a three-dimensional heat transfer model.
ところで、ピストン本体の冠面に、例えば遮熱膜のような膜部が形成される場合がある。このような膜部においても、正確な伝熱解析を行うために、3次元の伝熱モデルを適用しようとすることが考えられる。この3次元の伝熱モデルを適用する場合、格子(メッシュ)数が多くなるため、計算負荷がより一層増大して、計算時間がかなり長くなってしまうという問題がある。 By the way, in some cases, a film portion such as a heat insulating film is formed on the crown surface of the piston body. It is conceivable to apply a three-dimensional heat transfer model to such a film portion in order to perform an accurate heat transfer analysis. When applying this three-dimensional heat transfer model, the number of grids (mesh) increases, so there is a problem that the calculation load increases further and the calculation time becomes considerably long.
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、厚み方向の一側の面で熱源からの熱を受ける膜状の第1構造部と、該第1構造部における厚み方向の他側の面に重ね合わされた第2構造部とを有する構造体の伝熱解析において、計算負荷の増大の抑制と計算精度の確保との両立を図ることが可能な伝熱解析装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a film-like first structural portion that receives heat from a heat source on one side in the thickness direction, and the first structure. In the heat transfer analysis of a structure having a second structural part superimposed on the other side surface in the thickness direction of the part, heat transfer that can achieve both suppression of increase in calculation load and securing of calculation accuracy An object of the present invention is to provide an analysis device.
上記の目的を達成するために、本発明では、熱源と該熱源からの熱を受ける構造体とを含む系における該構造体の伝熱解析を行う伝熱解析装置を対象として、上記構造体は、厚み方向の一側の面で該熱源からの熱を受ける膜状の第1構造部と、該第1構造部における厚み方向の他側の面に重ね合わされた第2構造部とを有し、上記第2構造部の、上記第1構造部との重ね合わせ方向の長さが、上記第1構造部の厚みよりも大きくされており、1次元の伝熱モデルを用いて、上記第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行う第1伝熱解析部と、2次元又は3次元の伝熱モデルを用いて、上記第2構造部の上記重ね合わせ方向を含む2方向又は3方向の伝熱解析を行う第2伝熱解析部と、を備えている、という構成とした。 To achieve the above object, the present invention provides a heat transfer analysis apparatus for performing heat transfer analysis of a structure in a system including a heat source and a structure receiving heat from the heat source, wherein the structure is , a film-like first structural portion that receives heat from the heat source on one side in the thickness direction, and a second structural portion superimposed on the other side in the thickness direction of the first structural portion. , the length of the second structural portion in the direction in which it overlaps with the first structural portion is greater than the thickness of the first structural portion, and a one-dimensional heat transfer model is used to determine the first Using a first heat transfer analysis section that performs heat transfer analysis in the thickness direction of the structural section and a two-dimensional or three-dimensional heat transfer model, two or three directions including the superimposition direction of the second structural section and a second heat transfer analysis unit that performs heat transfer analysis.
上記の構成により、第1伝熱解析部が1次元の伝熱モデルを用いて第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行うので、計算負荷の増大を抑制することができる。一方、第1構造部において1次元の伝熱モデルを適用しても、第1構造部の厚みが、第2構造部の、第1構造部との重ね合わせ方向の長さに比べて小さければ、第2伝熱解析部が2次元又は3次元の伝熱モデルを用いて伝熱解析を行うことと相俟って、十分な計算精度を確保することができるようになる。 With the above configuration, the first heat transfer analysis section uses a one-dimensional heat transfer model to perform heat transfer analysis in the thickness direction of the first structural section, so an increase in calculation load can be suppressed. On the other hand, even if a one-dimensional heat transfer model is applied to the first structural part, if the thickness of the first structural part is smaller than the length of the second structural part in the overlapping direction with the first structural part, In combination with the fact that the second heat transfer analysis section uses a two-dimensional or three-dimensional heat transfer model to perform the heat transfer analysis, sufficient calculation accuracy can be ensured.
上記伝熱解析装置において、上記第1伝熱解析部は、上記第1構造部の厚みが所定閾値以下である場合にのみ、1次元の伝熱モデルを用いて、該第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行う一方、該第1構造部の厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、2次元又は3次元の伝熱モデルを用いて、該第1構造部の厚み方向を含む2方向又は3方向の伝熱解析を行うように構成されている、ことが好ましい。 In the heat transfer analysis device, the first heat transfer analysis unit uses a one-dimensional heat transfer model to calculate the thickness of the first structural portion only when the thickness of the first structural portion is equal to or less than a predetermined threshold value. While performing the heat transfer analysis in the direction, if the thickness of the first structure portion is greater than the predetermined threshold, a two-dimensional or three-dimensional heat transfer model is used to analyze the thickness direction of the first structure portion. Preferably, it is configured to perform two-way or three-way heat transfer analysis.
このことにより、第1構造部の厚みが所定閾値以下である場合に、構造体の伝熱解析において、計算負荷の増大を抑制しながら、計算精度をより一層向上させることができる。 As a result, when the thickness of the first structure portion is equal to or less than the predetermined threshold value, it is possible to further improve the calculation accuracy while suppressing an increase in the calculation load in the heat transfer analysis of the structure.
上記好ましい構成の一実施形態では、上記構造体は、エンジンピストンであり、上記第2構造部は、ピストン本体であり、上記第1構造部は、上記ピストン本体の冠面に形成された第1の膜部であり、上記第1の膜部は、熱伝導率が上記ピストン本体の熱伝導率よりも低く設定されかつ体積比熱が上記ピストン本体の体積比熱よりも小さく設定された膜部であり、上記第2伝熱解析部は、3次元の伝熱モデルを用いて、上記ピストン本体の上記重ね合わせ方向を含む3方向の伝熱解析を行うように構成されている。 In one embodiment of the preferred configuration, the structure is an engine piston, the second structure is a piston body, and the first structure is a first structure formed on the crown surface of the piston body. wherein the first film portion has a thermal conductivity set lower than the thermal conductivity of the piston body and a volumetric specific heat set lower than the volumetric specific heat of the piston body. The second heat transfer analysis section is configured to perform heat transfer analysis in three directions including the overlapping direction of the piston body using a three-dimensional heat transfer model.
このことで、第1の膜部の厚みが所定閾値以下である場合に、エンジンピストンの伝熱解析において、計算精度の確保と計算負荷の増大の抑制との両立を図ることができる。 As a result, when the thickness of the first film portion is equal to or less than the predetermined threshold value, it is possible to ensure both calculation accuracy and suppress an increase in calculation load in the heat transfer analysis of the engine piston.
上記一実施形態において、上記ピストン本体の冠面における中央部と上記第1の膜部との間に、厚み方向の一側及び他側の面が該第1の膜部及び該ピストン本体にそれぞれ接触する第2の膜部が設けられていてもよい。この場合、上記第2の膜部は、熱伝導率が上記ピストン本体の熱伝導率よりも低く設定されかつ体積比熱が上記ピストン本体の体積比熱よりも大きく設定された膜部であり、上記伝熱解析装置は、上記第2の膜部の伝熱解析を行う第3伝熱解析部を更に備える。上記第3伝熱解析部は、上記第1の膜部と上記第2の膜部とのトータルの厚みが上記所定閾値以下である場合には、1次元の伝熱モデルを用いて、該第2の膜部の厚み方向の伝熱解析を行う一方、上記トータルの厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、3次元の伝熱モデルを用いて、該第2の膜部の厚み方向を含む3方向の伝熱解析を行うように構成されている、ことが好ましい。 In the above embodiment, between the central portion of the crown surface of the piston body and the first film portion, the surfaces on one side and the other side in the thickness direction are respectively on the first film portion and the piston body. A contacting second membrane may be provided. In this case, the second film portion has a thermal conductivity set lower than that of the piston body and a volumetric specific heat set larger than the volumetric specific heat of the piston body. The thermal analysis apparatus further includes a third heat transfer analysis section that performs heat transfer analysis of the second film section. When the total thickness of the first film portion and the second film portion is equal to or less than the predetermined threshold value, the third heat transfer analysis section uses a one-dimensional heat transfer model to On the other hand, when the total thickness is greater than the predetermined threshold value, a three-dimensional heat transfer model is used to analyze the thickness direction of the second film portion. It is preferably configured to perform heat transfer analysis in three directions, including:
これにより、第1の膜部と第2の膜部とのトータルの厚みが所定閾値以下である場合に、エンジンピストンの伝熱解析において、計算精度の確保と計算負荷の増大の抑制との両立を図ることができる。 As a result, when the total thickness of the first film portion and the second film portion is equal to or less than a predetermined threshold value, in the heat transfer analysis of the engine piston, both ensuring calculation accuracy and suppressing an increase in calculation load can be achieved. can be achieved.
上記所定閾値は、2.5mmに設定されていることが好ましい。 The predetermined threshold is preferably set to 2.5 mm.
このことで、第1構造部の厚みが2.5mm以下である場合に、構造体の伝熱解析において、計算負荷の増大を抑制しながら、計算精度の更なる向上化を図ることができる。 As a result, when the thickness of the first structure portion is 2.5 mm or less, it is possible to further improve the calculation accuracy while suppressing an increase in the calculation load in the heat transfer analysis of the structure.
上記伝熱解析装置において、上記第2伝熱解析部は、3次元の伝熱モデルを用いて、上記第2構造部の上記重ね合わせ方向を含む3方向の伝熱解析を行うように構成されていることが好ましい。 In the heat transfer analysis device, the second heat transfer analysis section is configured to perform heat transfer analysis in three directions including the overlapping direction of the second structural section using a three-dimensional heat transfer model. preferably.
このことにより、構造体の伝熱解析において、計算精度をより一層向上させることができる。 As a result, the calculation accuracy can be further improved in the heat transfer analysis of the structure.
以上説明したように、本発明の伝熱解析装置によると、1次元の伝熱モデルを用いて、第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行う第1伝熱解析部と、2次元又は3次元の伝熱モデルを用いて、第2構造部の、第1構造部との重ね合わせ方向を含む2方向又は3方向の伝熱解析を行う第2伝熱解析部と、を備えていることにより、構造体の伝熱解析において、計算負荷の増大の抑制と計算精度の確保との両立を図ることができる。 As described above, according to the heat transfer analysis apparatus of the present invention, the first heat transfer analysis section performs heat transfer analysis in the thickness direction of the first structural section using a one-dimensional heat transfer model; a second heat transfer analysis section that uses a three-dimensional heat transfer model to perform heat transfer analysis in two or three directions, including the overlapping direction of the second structural section and the first structural section. As a result, in the heat transfer analysis of the structure, it is possible to achieve both suppression of an increase in calculation load and securing of calculation accuracy.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る伝熱解析装置1を示す。この伝熱解析装置1は、熱源と該熱源からの熱を受ける構造体とを含む系における該構造体の伝熱解析を行うものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a heat
本実施形態では、伝熱解析装置1による伝熱解析の対象である構造物は、図2に簡略化して示すように、燃焼室内のガス(熱源)から熱を受けるエンジンピストン11である。
In this embodiment, the structure to be subjected to the heat transfer analysis by the heat
エンジンピストン11は、アルミニウム合金で構成されたピストン本体12と、該ピストン本体12の冠面に形成された遮熱膜部13とを有する。遮熱膜部13が第1構造部に相当し、ピストン本体12が第2構造部に相当する。すなわち、遮熱膜部13は、該遮熱膜部13の厚み方向の一側の面(燃焼室側の面)で、燃焼室内のガスからの熱を受ける。この遮熱膜部13の厚み方向の他側の面(反燃焼室側の面)に、ピストン本体12が重ね合わされている。ピストン本体12の、遮熱膜部13との重ね合わせ方向(エンジンピストン11の中心軸方向(上下方向))の長さは、遮熱膜部13の厚みよりも大きくされている。
The
遮熱膜部13は、熱伝導率がピストン本体12の熱伝導率よりも低く設定されかつ体積比熱がピストン本体12の体積比熱よりも小さく設定された膜部である。遮熱膜部13の材料としては、例えば耐熱性のシリコーン樹脂を例示することができる。シリコーン樹脂としては、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い3次元ポリマーからなるシリコーン樹脂を例示することができ、例えば、ポリアルキルフェニルシロキサンなどが好適である。このようなシリコーン樹脂に、シラスバルーンのような中空粒子が含まれていてもよい。
The heat
このような遮熱膜部13の温度は、大きく変化する燃焼室内の温度に追従して変動し易いので、遮熱膜部13によって、燃焼室内の熱がピストン本体12へ逃げるのが抑制され、この結果、エンジンピストン11が設けられたエンジンの冷却損失が低減される。
Since the temperature of the heat
図1に示すように、伝熱解析装置1は、周知のマイクロコンピュータをベースとする伝熱解析コントローラ2と、ユーザが操作して入力する入力装置3と、表示装置4とを備えている。
As shown in FIG. 1, the heat
伝熱解析コントローラ2は、CPU、メモリ、入出力バス等を有している。CPUは、コンピュータプログラム(OS等の基本制御プログラム、及び、OS上で起動されて特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む)を実行する中央演算処理装置である。メモリは、RAM及びROMにより構成されている。ROMには、種々のコンピュータプログラムやデータ等が格納されている。RAMは、CPUが一連の処理を行う際に使用される処理領域が設けられるメモリである。入出力バスは、伝熱解析コントローラ2に対して電気信号の入出力をするものである。
The heat
本実施形態では、伝熱解析コントローラ2内には、第1伝熱解析部2aと、第2伝熱解析部2bと、表示制御部2cとが設けられている。第1伝熱解析部2a、第2伝熱解析部2b、及び表示制御部2cは、上記ROMに記憶されているコンピュータプログラムに従って、後述の如く動作する。
In this embodiment, the heat
ユーザが入力装置3に入力した情報は、第1伝熱解析部2a及び第2伝熱解析部2bに入力される。この入力される情報としては、ピストン本体12及び遮熱膜部13の形状、材質、初期条件(初期温度等)等といった、エンジンピストン11(ピストン本体12及び遮熱膜部13)の伝熱解析に必要な情報である。
Information input by the user to the
表示制御装置2cは、第1伝熱解析部2a及び第2伝熱解析部2bによる伝熱解析の結果から、ユーザが必要とする情報(入力装置に入力される)を表示装置4に表示させる。ユーザが必要とする情報としては、本実施形態では、遮熱膜部13における燃焼室側の面の温度分布である。
The
第1伝熱解析部2aは、1次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13の厚み方向(上下方向)の伝熱解析を行う。但し、本実施形態では、第1伝熱解析部2aは、遮熱膜部13の厚みが所定閾値以下である場合にのみ、1次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13の厚み方向の伝熱解析を行う。第1伝熱解析部2aは、遮熱膜部13の厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、3次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13の厚み方向を含む3方向の伝熱解析を行う。
The first heat
第2伝熱解析部2bは、3次元の伝熱モデルを用いて、ピストン本体12の上記重ね合わせ方向(上下方向)を含む3方向の伝熱解析を行う。
The second heat
上記所定閾値は、第1伝熱解析部2aが1次元の伝熱モデルを用いて遮熱膜部13の伝熱解析を行っても、遮熱膜部13における燃焼室側の面の温度の誤差(3次元の伝熱モデルを用いて遮熱膜部13の伝熱解析を行った場合に対する誤差)が十分に小さくなるような値である。本実施形態では、上記所定閾値は2.5mmに設定される。
Even if the first heat
3次元の伝熱モデルにおいては、3次元で分割生成された各格子において、以下の3次元の伝熱方程式を解くことになる。 In the three-dimensional heat transfer model, the following three-dimensional heat transfer equation is solved for each lattice divided and generated in three dimensions.
上記伝熱方程式中、ρは密度、cは比熱、Tは温度、tは時間、kは熱伝導率、x,y,zは、上記3方向の位置である。ここでは、xが、ピストン本体12の上記重ね合わせ方向(上下方向)の位置であり、y,zが、水平方向の互いに垂直な2方向の位置である。
In the above heat transfer equation, ρ is density, c is specific heat, T is temperature, t is time, k is thermal conductivity, and x, y, z are positions in the above three directions. Here, x is the position of the
一方、1次元の伝熱モデルにおいては、1次元で分割生成された各格子において、以下の1次元の伝熱方程式を解くことになる。 On the other hand, in a one-dimensional heat transfer model, the following one-dimensional heat transfer equation is solved for each lattice divided and generated in one dimension.
ここでは、xが遮熱膜部13の厚み方向(上下方向)の位置である。
Here, x is the position in the thickness direction (vertical direction) of the heat insulating
遮熱膜部13とピストン本体12との境界部分では、以下のような境界条件が与えられる。すなわち、遮熱膜部13における反燃焼室側の面(下面)の温度が、ピストン本体12の上面の温度と等しく、かつ、遮熱膜部13の下面の熱流束がピストン本体12の上面の熱流束と等しい。
At the boundary between the heat
伝熱解析装置1(伝熱解析コントローラ2)によるエンジンピストン11の伝熱解析と並行して、流体解析装置の流体解析コントローラ7(図1参照)により、燃焼室内のガスの伝熱解析が行われる。このガスの伝熱解析も、第2伝熱解析部2bによるピストン本体12の伝熱解析と同様に、3次元の伝熱モデルを用いて行われる。流体解析コントローラ7は、伝熱解析コントローラ2と情報の遣り取りを行う。尚、流体解析コントローラ7を、伝熱解析コントローラ2と兼用してもよい。
In parallel with the heat transfer analysis of the
遮熱膜部13とガスとの境界部分では、以下のような境界条件(つまり、熱源から遮熱膜部13への入熱条件)が与えられる。すなわち、遮熱膜部13における燃焼室側の面(上面)の温度が、ガスの遮熱膜部13に接する部分の温度と等しく、かつ、遮熱膜部13の上面の熱流束がガスの遮熱膜部13に接する部分の熱流束と等しい。
At the boundary portion between the heat
図3は、伝熱解析コントローラ2によるピストン伝熱解析処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、例えば、ユーザの入力装置3を介したスイッチ操作によりスタートする。尚、ユーザは、そのスイッチ操作の前に、エンジンピストン11の伝熱解析に必要な情報を入力しておく。
FIG. 3 is a flowchart showing piston heat transfer analysis processing by the heat
最初のステップS1で、エンジンピストン11(ピストン本体12及び遮熱膜部13)の形状を読み込み、次のステップS2で、遮熱膜部13の厚みが2.5mm以下であるか否かを判定する。
In the first step S1, the shape of the engine piston 11 (the
ステップS2の判定がYESである場合には、ステップS3に進んで、遮熱膜部13を1次元で格子生成しかつピストン本体12を3次元で格子生成し、しかる後にステップS5に進む。
If the determination in step S2 is YES, the process proceeds to step S3 to generate a one-dimensional grid for the heat
一方、ステップS2の判定がNOである場合には、ステップS4に進んで、エンジンピストン11の全体を3次元で格子生成し、しかる後にステップS5に進む。
On the other hand, if the determination in step S2 is NO, the process proceeds to step S4 to generate a three-dimensional grid for the
ステップS5では、初期条件を設定し、次のステップS6では、後述のステップS10及びS11における伝熱計算、又は、後述のステップS12における伝熱計算が終了したか否かを判定する。 In step S5, initial conditions are set, and in the next step S6, it is determined whether or not the heat transfer calculations in steps S10 and S11 described below or the heat transfer calculations in step S12 described later have been completed.
ステップS6の判定がNOである場合には、ステップS7に進んで、時間刻みの設定を行う。この時間刻みは、現象の変化が激しいほど細かくされる。 If the determination in step S6 is NO, the process proceeds to step S7 to set the time increments. This time increment is finer as the phenomenon changes more rapidly.
次のステップS8では、遮熱膜部13とピストン本体12との境界部分での境界条件、及び、遮熱膜部13とガスとの境界部分での境界条件(入熱条件)を設定する。
In the next step S8, a boundary condition at the boundary portion between the heat insulating
次のステップS9では、1次元で生成した格子があるか否かを判定する。このステップS9の判定がYESである場合には、ステップS10に進んで、第1伝熱解析部2aが、1次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13の伝熱計算(伝熱解析)を行い、続くステップS11で、第2伝熱解析部2bが、3次元の伝熱モデルを用いて、ピストン本体12の伝熱計算(伝熱解析)を行い、しかる後に、ステップS6に戻る。
In the next step S9, it is determined whether or not there is a lattice generated in one dimension. If the determination in step S9 is YES, the process proceeds to step S10, where the first heat
一方、ステップS9の判定がNOである場合には、ステップS12に進んで、第1伝熱解析部2a及び第2伝熱解析部2bが、3次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13及びピストン本体12の伝熱計算(伝熱解析)を行い、しかる後に、ステップS6に戻る。
On the other hand, if the determination in step S9 is NO, the process proceeds to step S12, where the first heat
第1伝熱解析部2a及び第2伝熱解析部2bによる伝熱計算が終了するまで、ステップS7~S11の処理動作、又は、ステップS7~S9及びS12の処理動作が繰り返される。そして、第1伝熱解析部2a及び第2伝熱解析部2bによる伝熱計算が終了して上記ステップS6の判定がYESになると、ステップS13に進んで、表示制御部2cが、遮熱膜部13における燃焼室側の面の温度分布を表示装置4に表示させ、しかる後にピストン伝熱解析処理を終了する。
The processing operations of steps S7 to S11 or the processing operations of steps S7 to S9 and S12 are repeated until the heat transfer calculations by the first heat
図4(a)~(c)は、図5に示す構造体21(膜状の第1構造部22と、第1構造部22に重ね合わされた第2構造部23とを有する)において、1次元の伝熱モデルを用いて第1構造部22のx方向の伝熱解析を行った場合の、2次元の伝熱モデルを用いて第1構造部22のx方向及びy方向の伝熱解析を行った場合に対する、第1構造部22の上面(熱源側の面)の温度の誤差を示す図である。どちらの場合も、第2構造部23については2次元の伝熱モデルを用いてx方向及びy方向の伝熱解析を行っている。
FIGS. 4A to 4C show the
ここで、第1構造部22の上面の温度をT1とし、第1構造部22の下面(第2構造部23側の面)の温度をT2として、下面の温度T2は、図6に示すように、y方向に一定の温度勾配で変化するものとしている。図4(a)は、下面の温度T2のy方向の温度勾配が30K/cmである場合の誤差を示し、図4(b)は、該温度勾配が50K/cmである場合の誤差を示し、図4(c)は、該温度勾配が100K/cmである場合の誤差を示す。
Here, the temperature of the upper surface of the first
図4(a)~(c)の各図の横軸は、第1構造部22の膜厚であり、縦軸は、第1構造部22の上面の温度と下面の温度の平均値との差(厚み方向温度差という)である。図4(a)~(c)において、例えば白抜きの部分では、誤差が0.00%~0.50%の範囲となる。
4A to 4C, the horizontal axis is the film thickness of the first
図4(a)~(c)に示すように、第1構造部22の膜厚が大きくなるほど、誤差が大きくなることが分かる。また、温度勾配が大きくなりかつ厚み方向温度差が大きくなるほど、誤差が大きくなる。温度勾配及び厚み方向温度差が大きくなっても、膜厚が2.5mm以下であれば、誤差は0.50%以下となって小さいと言える。このことから、上記所定閾値は2.5mmに設定されることが好ましい。
As shown in FIGS. 4A to 4C, the larger the film thickness of the first
図7は、温度勾配が100K/cmである場合の第1構造部22の膜厚と誤差との関係を示すグラフである。ここでは、厚み方向温度差は一定値としている。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the film thickness of the first
図7のグラフでは、第1構造部22の膜厚が2.5mmである位置を境に、膜厚の増大に対する誤差の増大量が異なっている。すなわち、図4のグラフは、膜厚が2.5mmを超えると、直線であり、膜厚の増大に対して誤差が大きく増大する。これに対し、図7のグラフは、膜厚が2.5mm以下では、下側に凸となる放物線に近い曲線であり、膜厚の増大に対する誤差の増大量は小さい。このことからも、上記所定閾値は2.5mmに設定されることが好ましい。
In the graph of FIG. 7, the amount of increase in error with respect to the increase in film thickness differs from the position where the film thickness of the
尚、1次元の伝熱モデルを用いて第1構造部22の伝熱解析を行いかつ3次元の伝熱モデルを用いて第2構造部23の伝熱解析を行った場合の、3次元の伝熱モデルを用いて第1構造部22及び第2構造部23の伝熱解析を行った場合に対する、第1構造部22の上面の温度の誤差も、図4(a)~(c)及び図7と同様の傾向となる。
Note that when the heat transfer analysis of the first
したがって、本実施形態では、遮熱膜部13の厚みが上記所定閾値以下であれば、エンジンピストン11の伝熱解析において、計算負荷の増大の抑制と計算精度の確保との両立を図ることができる。特に遮熱膜部13の厚みが2.5mm以下であれば、エンジンピストン11の伝熱解析において、計算負荷の増大を抑制しながら、計算精度をより一層向上させることができる。
Therefore, in the present embodiment, if the thickness of the heat
尚、上記実施形態では、伝熱解析装置1による伝熱解析の対象である構造物が、エンジンピストン11である例を示したが、該構造物はこれには限られない。厚み方向の一側の面で熱源からの熱を受ける膜状の第1構造部と、該第1構造部における厚み方向の他側の面に重ね合わされた第2構造部とを有し、該第2構造部の、上記第1構造部との重ね合わせ方向の長さが、上記第1構造部の厚みよりも大きくされている構造物であれば、伝熱解析装置1による伝熱解析の対象とすることができる。また、第1構造部の厚みが、第2構造部の、第1構造部との重ね合わせ方向の長さに比べて小さければ、常に1次元の伝熱モデルを用いて、第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行うことも可能である。さらに、第2構造部が、例えば、上記重ね合わせ方向から見た形状が細長く延びる形状を有する場合には、2次元の伝熱モデルを用いて、第2構造部の上記重ね合わせ方向を含む2方向の伝熱解析を行うことも可能である。
In the above-described embodiment, an example in which the structure to be analyzed by the heat
(実施形態2)
図8は、本発明の実施形態2に係る伝熱解析装置1を示し、図9は、該伝熱解析装置1による伝熱解析の対象である構造物としてのエンジンピストン11を示す。尚、図8及び図9では、図1及び図2と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 8 shows a heat
本実施形態では、ピストン本体12の冠面における中央部と遮熱膜部13(以下、第1遮熱膜部13という)との間に、厚み方向の一側及び他側の面が第1遮熱膜部13及びピストン本体12にそれぞれ接触する第2遮熱膜部14(第2の膜部に相当)が設けられている。第2遮熱膜部14は、熱伝導率がピストン本体12の熱伝導率よりも低く設定されかつ体積比熱がピストン本体12の体積比熱よりも大きく設定された膜部である。第2遮熱膜部14の熱伝導率は、第1遮熱膜部13の熱伝導率よりも大きく設定されている。つまり、第2遮熱膜部14は、第1遮熱膜部13よりも蓄熱性が高くて、第1遮熱膜部13の温度を高くする役割を有する。これにより、第1遮熱膜部13の温度が燃焼室内のガスの温度に近づくようになり、この結果、燃焼室内の熱がピストン本体12へ逃げるのがより一層抑制される。
In this embodiment, between the central portion of the crown surface of the
第2遮熱膜部14の材料としては、例えばセラミックス材料を例示することができる。一般に、セラミックス材料は、熱伝導率が低い一方で体積比熱が大きく、また耐熱性にも優れるので、第2遮熱膜部14として好適である。具体的に、好ましいセラミックス材料は、ジルコニアである。この他、窒化ケイ素、シリカ、コージライト、ムライト等のセラミックス材料も例示することができる。
As a material of the second heat insulating
本実施形態では、伝熱解析コントローラ2内には、上記実施形態1と同様の第1伝熱解析部2a、第2伝熱解析部2b、及び表示制御部2cに加えて、第2遮熱膜部14の伝熱解析を行う第3伝熱解析部2dが設けられている。
In this embodiment, in the heat
第3伝熱解析部2dは、第1遮熱膜部13と第2遮熱膜部14とのトータルの厚みが上記所定閾値以下である場合には、1次元の伝熱モデルを用いて、第2遮熱膜部14の厚み方向の伝熱解析を行う一方、上記トータルの厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、3次元の伝熱モデルを用いて、第2遮熱膜部14の厚み方向を含む3方向の伝熱解析を行う。本実施形態においても、上記所定閾値は、上記実施形態1と同様に、2.5mmに設定される。
When the total thickness of the first heat
第1伝熱解析部2aは、上記実施形態1と同様に、遮熱膜部13の厚みが上記所定閾値以下である場合には、1次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13の厚み方向の伝熱解析を行う一方、遮熱膜部13の厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、3次元の伝熱モデルを用いて、遮熱膜部13の厚み方向を含む3方向の伝熱解析を行う。
When the thickness of the heat
第2伝熱解析部2bは、上記実施形態1と同様に、3次元の伝熱モデルを用いて、ピストン本体12の上記重ね合わせ方向(上下方向)を含む3方向の伝熱解析を行う。
As in the first embodiment, the second heat
本実施形態では、第1遮熱膜部13と第2遮熱膜部14とのトータルの厚みが上記所定閾値以下であれば、上記実施形態1と同様に、エンジンピストン11の伝熱解析において、計算精度の確保と計算負荷の増大の抑制との両立を図ることができる。特に上記トータルの厚みが2.5mm以下であれば、エンジンピストン11の伝熱解析において、計算負荷の増大を抑制しながら、計算精度をより一層向上させることができる。
In the present embodiment, if the total thickness of the first heat insulating
図10(a)~(c)は、実施形態2のエンジンピストン11について、エンジンピストン11の全体を1次元の伝熱モデルを用いて伝熱解析を行った場合(伝熱解析Aの場合)と、1次元の伝熱モデルを用いて第1遮熱膜部13及び第2遮熱膜部14の伝熱解析を行いかつ3次元の伝熱モデルを用いてピストン本体12の伝熱解析を行った場合(伝熱解析Bの場合)との解析結果を示す。尚、第1遮熱膜部13と第2遮熱膜部14とのトータルの厚みは、2.5mm以下である。
FIGS. 10A to 10C show the
図10(a)は、伝熱解析A及びBの場合において、ピストン中心(ピストン本体12の中心軸)からの距離Rが0.0mmである位置での、クランク角に対する第1遮熱膜部13における燃焼室側の面の熱流束の変化を示す。図10(b)は、伝熱解析A及びBの場合において、距離Rが3.1mmである位置での、クランク角に対する第1遮熱膜部13における燃焼室側の面の熱流束の変化を示す。図10(c)は、伝熱解析A及びBの場合において、距離Rが4.2mmである位置での、クランク角に対する第1遮熱膜部13における燃焼室側の面の熱流束の変化を示す。クランク角は、圧縮上死点を0°としている。
FIG. 10(a) shows the first heat shield film portion with respect to the crank angle at a position where the distance R from the piston center (the central axis of the piston body 12) is 0.0 mm in the case of heat transfer analysis A and B. 13 shows changes in heat flux on the combustion chamber side surface at 13. FIG. FIG. 10B shows the change in the heat flux of the combustion chamber side surface of the first heat
第2遮熱膜部14の半径が3.1mmであるので、距離Rが3.1mである位置は、ピストン本体12と第2遮熱膜部14との境界位置に相当する。
Since the radius of the second heat insulating
図10(a)及び(c)では、伝熱解析Aの場合と伝熱解析Bの場合とで解析結果に殆ど相違はないが、図10(b)に示すように、ピストン本体12と第2遮熱膜部14との境界位置に相当する部分では、伝熱解析Aの場合と伝熱解析Bの場合とで解析結果の相違が顕著になる。特に該部分で正確な伝熱解析を行うためには、伝熱解析Aの場合よりも伝熱解析Bの場合の方が好ましい。
10(a) and 10(c), there is almost no difference in the analysis results between heat transfer analysis A and heat transfer analysis B, but as shown in FIG. 2 At the portion corresponding to the boundary position with the heat
一方、エンジンピストン11の全体を3次元の伝熱モデルを用いて伝熱解析を行えば、伝熱解析Bの場合に比べてより正確な伝熱解析を行うことは可能であるが、計算時間がかなり長くなってしまう。エンジンピストン11の全体を3次元の伝熱モデルを用いて伝熱解析を行う場合には、メッシュ数にもよるが、伝熱解析Bの場合に対して3倍~1万倍の計算時間がかかる。したがって、計算負荷の増大の抑制と計算精度の確保との両立を図る観点から、1次元の伝熱モデルを用いて第1遮熱膜部13及び第2遮熱膜部14の伝熱解析を行いかつ3次元の伝熱モデルを用いてピストン本体12の伝熱解析を行うことが望ましい。
On the other hand, if the heat transfer analysis is performed for the
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and substitutions are possible without departing from the scope of the claims.
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。 The above-described embodiments are merely examples, and should not be construed as limiting the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the scope of claims, and all variations and modifications within the equivalent scope of the claims are within the scope of the invention.
本発明は、熱源と該熱源からの熱を受ける構造体とを含む系における該構造体の伝熱解析を行う伝熱解析装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a heat transfer analysis apparatus that performs heat transfer analysis of a structure in a system including a heat source and a structure that receives heat from the heat source.
1 伝熱解析装置
2 コントローラ
2a 第1伝熱解析部
2b 第2伝熱解析部
2d 第3伝熱解析部
11 エンジンピストン(構造体)
12 ピストン本体(第2構造部)
13 遮熱膜(第1遮熱膜(第1構造部))
REFERENCE SIGNS
12 Piston body (second structure)
13 Heat shielding film (first heat shielding film (first structural part))
Claims (6)
上記構造体は、厚み方向の一側の面で該熱源からの熱を受ける膜状の第1構造部と、該第1構造部における厚み方向の他側の面に重ね合わされた第2構造部とを有し、
上記第2構造部の、上記第1構造部との重ね合わせ方向の長さが、上記第1構造部の厚みよりも大きくされており、
1次元の伝熱モデルを用いて、上記第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行う第1伝熱解析部と、
2次元又は3次元の伝熱モデルを用いて、上記第2構造部の上記重ね合わせ方向を含む2方向又は3方向の伝熱解析を行う第2伝熱解析部と、を備えていることを特徴とする伝熱解析装置。 A heat transfer analysis device for performing heat transfer analysis of a structure in a system including a heat source and a structure receiving heat from the heat source,
The structure includes a film-like first structural portion that receives heat from the heat source on one side in the thickness direction, and a second structural portion that is superimposed on the other side in the thickness direction of the first structural portion. and
a length of the second structural portion in a direction in which it overlaps with the first structural portion is greater than a thickness of the first structural portion;
a first heat transfer analysis unit that uses a one-dimensional heat transfer model to analyze heat transfer in the thickness direction of the first structural unit;
a second heat transfer analysis unit that uses a two-dimensional or three-dimensional heat transfer model to perform heat transfer analysis in two or three directions including the overlapping direction of the second structural unit. Characteristic heat transfer analysis equipment.
上記第1伝熱解析部は、上記第1構造部の厚みが所定閾値以下である場合にのみ、1次元の伝熱モデルを用いて、該第1構造部の厚み方向の伝熱解析を行う一方、該第1構造部の厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、2次元又は3次元の伝熱モデルを用いて、該第1構造部の厚み方向を含む2方向又は3方向の伝熱解析を行うように構成されていることを特徴とする伝熱解析装置。 In the heat transfer analysis device according to claim 1,
The first heat transfer analysis section performs heat transfer analysis in the thickness direction of the first structural section using a one-dimensional heat transfer model only when the thickness of the first structural section is equal to or less than a predetermined threshold. On the other hand, when the thickness of the first structural portion is greater than the predetermined threshold value, a two-dimensional or three-dimensional heat transfer model is used to estimate the heat transfer in two or three directions including the thickness direction of the first structural portion. A heat transfer analysis device configured to perform heat analysis.
上記構造体は、エンジンピストンであり、
上記第2構造部は、ピストン本体であり、
上記第1構造部は、上記ピストン本体の冠面に形成された第1の膜部であり、
上記第1の膜部は、熱伝導率が上記ピストン本体の熱伝導率よりも低く設定されかつ体積比熱が上記ピストン本体の体積比熱よりも小さく設定された膜部であり、
上記第2伝熱解析部は、3次元の伝熱モデルを用いて、上記ピストン本体の上記重ね合わせ方向を含む3方向の伝熱解析を行うように構成されていることを特徴とする伝熱解析装置。 In the heat transfer analysis device according to claim 2,
The structure is an engine piston,
The second structural portion is a piston body,
The first structural portion is a first film portion formed on the crown surface of the piston body,
The first film portion is a film portion having a thermal conductivity set lower than that of the piston body and a volumetric specific heat set lower than the volumetric specific heat of the piston body,
The second heat transfer analysis unit is configured to perform heat transfer analysis in three directions including the overlapping direction of the piston body using a three-dimensional heat transfer model. analysis equipment.
上記ピストン本体の冠面における中央部と上記第1の膜部との間に、厚み方向の一側及び他側の面が該第1の膜部及び該ピストン本体にそれぞれ接触する第2の膜部が設けられており、
上記第2の膜部は、熱伝導率が上記ピストン本体の熱伝導率よりも低く設定されかつ体積比熱が上記ピストン本体の体積比熱よりも大きく設定された膜部であり、
上記第2の膜部の伝熱解析を行う第3伝熱解析部を更に備え、
上記第3伝熱解析部は、上記第1の膜部と上記第2の膜部とのトータルの厚みが上記所定閾値以下である場合には、1次元の伝熱モデルを用いて、該第2の膜部の厚み方向の伝熱解析を行う一方、上記トータルの厚みが上記所定閾値よりも大きい場合には、3次元の伝熱モデルを用いて、該第2の膜部の厚み方向を含む3方向の伝熱解析を行うように構成されていることを特徴とする伝熱解析装置。 In the heat transfer analysis device according to claim 3,
Between the central portion of the crown surface of the piston body and the first film portion, there is provided a second film whose surfaces on one side and the other side in the thickness direction are in contact with the first film portion and the piston body, respectively. Department is established,
the second film portion is a film portion having a thermal conductivity set lower than that of the piston body and a volumetric specific heat set larger than the volumetric specific heat of the piston body;
further comprising a third heat transfer analysis unit that performs heat transfer analysis of the second film,
When the total thickness of the first film portion and the second film portion is equal to or less than the predetermined threshold value, the third heat transfer analysis section uses a one-dimensional heat transfer model to On the other hand, when the total thickness is greater than the predetermined threshold value, a three-dimensional heat transfer model is used to analyze the thickness direction of the second film portion. A heat transfer analysis device configured to perform heat transfer analysis in three directions including:
上記所定閾値は、2.5mmに設定されていることを特徴とする伝熱解析装置。 In the heat transfer analysis device according to any one of claims 2 to 4,
The heat transfer analysis apparatus, wherein the predetermined threshold is set to 2.5 mm.
上記第2伝熱解析部は、3次元の伝熱モデルを用いて、上記第2構造部の上記重ね合わせ方向を含む3方向の伝熱解析を行うように構成されていることを特徴とする伝熱解析装置。 In the heat transfer analysis device according to claim 1 or 2,
The second heat transfer analysis section is configured to perform heat transfer analysis in three directions including the overlapping direction of the second structural section using a three-dimensional heat transfer model. Heat transfer analyzer.
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