Ansys LS-DYNAの流体ソルバーを詳しく解説
計算流体力学（CFD）は、10年以上にわたりAnsys LS-DYNAのマルチフィジックス機能の一部として提供されてきました。LS-DYNAをご利用の方で、この機能についてさらに詳しく知りたいという方は、ぜひ私と一緒にこの機能を詳しく見ていき、製品設計や開発を加速させるためにどのように活用できるかを探ってみましょう。
Ansys LS-DYNAは、非線形動的構造解析における業界をリードするソルバーであり、世界中の自動車業界で衝突安全性の予測に利用されています。 このコードの中核をなすのは明示法ソルバーですが、LS-DYNAはそれだけでなく、熱解析、音響解析、離散要素法、電磁気解析、流体解析のための明示法および暗黙法ソルバーも提供しています。すべてのソルバーが連成されているため、LS-DYNAはまさに「1つのコードで多物理場解析を実現する」ソルバーとなっています。
前回の記事では、LS-DYNAの陰解法ソルバーを静的解析や周波数領域解析に活用する方法について解説しました。LS-DYNAのCFD機能を活用することも、このソフトウェアの性能をさらに引き出す方法の一例です。
LS-DYNA には、2 種類の流体ソルバーが用意されています。圧縮性流体用の CESE* と、非圧縮性流体ソルバー（ICFD）です。 車両の外部空力や、冷却・金型充填などの液体を伴うプロセスなど、多くの工学用途において、非圧縮性流体ソルバーが適しています。流体を非圧縮性であると仮定することで、ナビエ・ストークス方程式を簡略化し、マッハ数が0.3未満の場合、流体の速度や圧力を正確に予測することができます（参考文献）。本記事では、この非圧縮性ソルバーに焦点を当てて解説します。
*保全要素／解決要素法
Ansys LS-DYNA の ICFD ソルバーには、マルチフィジックス連成機能に加え、次のような多くの利点があります。
- 流体領域の自動メッシュ生成
- 流体・構造の完全な相互作用
- ニュートン流体および非ニュートン流体のモデル
- 定常および過渡流の予測
- RANSやLESを含む乱流モデルの種類
- 自由表面および多相解析
- 追加のライセンス費用は発生しません（ライセンス契約の規定に従います）
さらに、ICFDソルバーはOasys LS-DYNA環境によって完全にサポートされており、Oasys PRIMER内の専用セットアップツールや D3PLOT内の専用可視化ツールなどが用意され、各ステップでユーザーをガイドします。
生活を少しでも楽にする
数年前、アープ社では、外部空力解析用のICFDソルバーについて調査を行いました。DrivAerベンチマーク形状を用いて検証した結果、Ansys LS-DYNAが予測した抗力係数（Cd）および圧力係数（Cp）の値は、実験結果および参照用CFDコードの予測値と良好に一致することが確認されました（下図参照）。 この検証結果に基づき、ICFDソルバーを用いて、気流の衝突によって「フラッター」現象を引き起こす可能性のある外装表面の空力弾性応答を調査しました。
画像出典：DrivAerモデルの中心線における圧力分布の比較
フラッターとは、気流による外力と表面の柔軟性が原因で、外表面に目に見える振動が生じる空力弾性不安定現象のことです。この望ましくない現象は、車両のプロトタイプを試験する最終段階になって初めて発見される場合があります。そのため、この問題に対処するための設計変更には多額の費用がかかり、スケジュールにも影響を及ぼす可能性があります。
設計プロセスの早い段階でシミュレーションを活用することで、このような状況を回避することができます。 ICFDソルバーの最大の強みは、流体解析結果と構造解析を連成できる点にあります。なぜなら、フラッターを引き起こすのは、流体の外力と共鳴する構造応答だからです。構造連成を含まない従来のCFDアプローチでは、この現象を見逃してしまう可能性があります。我々の研究では、単純なボンネットおよびスポイラーモデルを用いてこの概念を実証し、LS-DYNAがいかに深い洞察を提供できるかを示しました。
距離を保つ
別の研究では、車両の「プラトーン」を流れる気流の影響について調査しました。 プラトーンとは、車車間通信やセンシング技術によって可能となる、車間距離を狭めて走行する車両群のことです。車両のプラトーンは、空気中を移動する際のエネルギー消費を抑え、高速道路上の占有スペースを削減できる可能性があります。プラトーンを流れる気流を理解することは、安全性とエネルギー効率の観点から極めて重要です。Ansys LS-DYNAを用いてさまざまなプラトーン構成をモデル化することで、その影響を解明し、さらなる最適化への道を開くことができました。
画像出典： Oasys D3PLOTでプロットされた流線図。間隔が狭い2台の車両の上空
この研究では、ICFDソルバーによる解析結果が、車間距離と車体形状の複雑な相互作用についてどのような知見をもたらすかが示された（上の図を参照）。 ICFDソルバーを用いた次のステップとしては、プラトーン効果（例えば、車両間隔が狭いことによるバフェッティングなど）に対する構造応答の予測が挙げられる。両論文は、ICFDソルバーが外部空力解析において実用的なツールであり、自動化された流体領域メッシュ生成による迅速なモデル生成や構造との相互作用など、魅力的な利点を持つことを実証した。
状況が緊迫しても冷静さを保つ
この研究以来、英国の2035年ゼロエミッション目標を背景に、バッテリー式電気自動車（BEV）は市場シェアを大幅に拡大してきました。 これに対応し、当社のサービスも拡大しました。構造上の安全性や耐久性にとどまらず、現在はAnsys LS-DYNAを用いたバッテリーシステム開発においても顧客を支援しています。その最も直接的な用途は、安全基準で要求される衝撃、潰れ、振動、疲労といった構造試験のシミュレーションです。しかし、LS-DYNAでは、熱解析やICFDソルバーを用いたバッテリー冷却設計、さらには熱暴走の解析も可能となります。
大型バッテリーパックにおいて、冷却は極めて重要であり、通常はセルから熱を抽出し、熱交換器を通じて放散する閉ループ式液体冷却システムによって実現されます。冷却プレート（多くの場合、薄い埋め込み層）は、冷却範囲を均一に確保し、セルの性能を低下させるホットスポットの発生を防ぐために、形状を慎重に設計する必要があります。シミュレーションを活用することで、ピーク負荷時の形状、流体分布、および熱効率の最適化が可能になります。
LS-DYNAの電磁界、構造、熱、およびICFDの連成ソルバーは、バッテリー冷却の物理現象をモデル化することができます。Randles Circuitsはセルの電気化学反応をシミュレートし、電流の流れを外部負荷および内部抵抗と関連付けます。これにより発生するオーム加熱は、冷却プレートに伝導され、共役熱交換を通じて流体に伝達されます。
Oasys LS-DYNA Environmentには、バッテリーモデルの作成を支援する新しいツールが搭載されています。Oasys PRIMERの「Battery Set-Up Tool」を使用すると、ランドルズ回路のパラメータやセルアレイの定義、およびバスバー構成の選択を迅速に行うことができます。
以下の例では、2つのセルスタックが熱伝導性接着剤を用いて冷却プレートに接着されています。セルからの熱は冷却プレートに伝導され、共役熱伝達を通じて流体に伝達されます。このモデルでは、流体の流れが熱負荷の影響を受けないという仮定に基づき、熱ソルバーと連成する前に、流体の流れを定常状態として解いています。この例では、Oasys D3PLOTを用いて、流体の流速と温度の同時プロットを実現しました。
画像出典：Ansys LS-DYNA を用いた電池セルと冷却プレートの ICFD-熱連成解析
流体解析は、熱現象のシミュレーションにおいても極めて重要です。 熱暴走は、高温下でセル構成部品が急速に破壊され、ガスが発生する複雑なプロセスです。セルや筐体には、圧力上昇を防ぐために排気口が設けられていますが、高温ガスはパック内を移動し、周囲の構造物と機械的・熱的に相互作用することがあります。これにより、密閉部分の変形や破損が生じ、排気機能が損なわれる可能性があります。熱が隣接するセルに広がると、それらのセルも熱暴走を起こして排気し、パック全体の熱暴走へとエスカレートする恐れがあります。
Ansysによるガス発生および排出に関する研究には、連続体ベースの粒子ガス法が含まれています。ランドルズ回路モデルと組み合わせることで、LS-DYNAは熱暴走シナリオをシミュレーションするための堅牢なフレームワークを提供します。
流れに身を任せる
アルミニウム鋳物は、剛性、耐久性、衝突安全性、および質量の最適化が極めて重要な、軽量なBEVの車体構造において、ますます重要な役割を果たしています。しかし、鋳物には機械的特性にばらつきが見られることが多く、衝突シミュレーションにおいてその形状のばらつきを適切に反映させることが不可欠です。
こうしたばらつきの多くは、鋳造プロセスそのものに起因しています。冷却速度、乱流、収縮などが、いずれも最終的な物性に影響を及ぼします。このプロセスをシミュレーションすることで、物性の分布を予測したり、ランナーやゲートの位置といった鋳造構成を最適化したりすることが可能です。Ansys LS-DYNAのICFDソルバーを使用して、鋳造プロセスをシミュレーションすることはできるでしょうか？
この疑問を検証するため、我々はバーミンガム大学のベンチマーク試験を再現した。この試験では、乱流を誘発するように設計された底ゲート式ランナーと背の高いスプルーを用いて、重力供給により単純な長方形の金型に材料を充填した。試験中、X線フィルムを用いて金型の充填過程を撮影し、LS-DYNAによる計算結果と直接比較できるようにした。
その結果は非常に有望なものでした。LS-DYNAは、試験から得られた主要な結果を正確に再現することができました：
- 金型への充填に適切な時間（2秒）
- ゲートから金型内への噴出口の方向とサイズを正しく設定する
- スプルーとランナーの接合部における流体力学の正確な解析
このアニメーションでは、溶融アルミニウム内の温度変化も示されており、金型への充填過程の可視化にさらなる奥行きを与えています。
以下に、複数のゲートを備えた、より複雑なモデルを示します。 これは依然として比較的単純な例ではありますが、この技術がどのように発展し、鋳造プロセスや部品自体の特性について有益な知見をもたらす可能性があるかが、はっきりと見て取れます。 高速・高圧鋳造プロセスにおいては、圧縮性の影響を考慮する必要があります。
画像出典：複数のゲートを用いた鋳造解析
結論
Ansys LS-DYNAのICFDソルバーは、複雑な流体問題や構造物との相互作用を解析するための、強力かつ汎用性の高いツールです。LS-DYNAのマルチフィジックス・ソルバーと完全に統合されており、追加のライセンス費用なしで利用可能です。高性能な解析結果を提供し、既存のLS-DYNAユーザーなら誰でもすぐに利用を開始できます。
Oasys LS-DYNA Environment を使用すれば、Oasys PRIMERでモデルを迅速に構築し、D3PLOT の専用解析ツールを用いて結果を詳細に分析することができます。複雑な設定や後処理に手間取る必要はありません。
シミュレーションを次のレベルへ引き上げませんか？今すぐICFDの活用を始めましょう。熱システムの最適化、冷却回路の設計、流体力学の解析など、どのような用途であっても、LS-DYNAには必要なツールが揃っており、操作はすべてユーザー次第です。
サイモン・ハート
サイモン・ハートは、アラップのテクニカル・スペシャリスト・サービス・ポートフォリオ（UKIMEA）において、プロダクト・エンジニアリング・プラクティスを率いています。彼は、自動車設計におけるコンピュータ支援エンジニアリング（CAE）の活用において30年の経験を持ち、新型電気自動車プロジェクトに取り組むエンジニアチームのリーダーを務めています。
サイモンは、Oasys LS-DYNA Environmentソフトウェア事業と密接に連携し、デジタル製品の開発と、それらをエンジニアリングプロジェクトに活用することとの架け橋となっています。
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