円管内の熱伝達を解析する：CAE解析とExcelを使いながら冷却系設計を自分でやってみる（14）（4/4 ページ）

CAE解析とExcelを使いながら冷却系の設計を“自分でやってみる／できるようになる”ことを目指す連載。連載第14回からはいよいよ「熱流体解析」に突入し、円管層流熱伝、円管乱流熱伝達と進んでいく。

[高橋良一／ＲＴデザインラボ 代表，MONOist]

紙と鉛筆による計算結果とシミュレーション結果との比較

　ここまで紹介してきた式による計算結果を、ここでは「紙と鉛筆によるもの」と呼ぶことにします。この計算結果とシミュレーション結果とを比較してみましょう。表2にその内容を示します。

表2　紙と鉛筆による計算結果とシミュレーション結果との比較［クリックで拡大］

　少し補足しますと、シミュレーションソフトは混合平均温度を出力しないため、式10による値を代わりに用いました。また、シミュレーションによる熱伝達率は式14で求めています。

式14

　流体解析ソフトでも、主流の温度を基にした熱伝達率を出力できます。パイプの場合、主流の温度はバルク温度となるため、今回は式14を使用しました。表3に、壁温と熱伝達率の比較結果を示します。壁温については良い一致が見られましたが、熱伝達率に関しては「良い線いっている」とまでは言えず、そこそこの一致という結果になりました。後ほど外部流れのシミュレーションを紹介しますが、乱流モデルにSST（Shear Stress Transport）を採用し、Y⁺が2程度になるように、細かくセルを分割して計算してみようと思います。

表3　紙と鉛筆による計算結果とシミュレーション結果との比較（上段が層流、下段が乱流）［クリックで拡大］

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　次回は、ホローコンダクターを使ったコイルの設計計算Excelシートの作成に取り組んでいきましょう。　（次回へ続く）

参考文献：

• ［1］日本機械学会｜伝熱工学資料 改訂第4版（1999）

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Profile

高橋 良一（たかはし りょういち）
ＲＴデザインラボ 代表

1961年生まれ。技術士（機械部門）、計算力学技術者 上級アナリスト、米MIT Francis Bitter Magnet Laboratory 元研究員。

構造・熱流体系のCAE専門家と機械設計者の両面を持つエンジニア。約40年間、大手電機メーカーにて医用画像診断装置（MRI装置）の電磁振動・騒音の解析、測定、低減設計、二次電池製造ラインの静音化、液晶パネル製造装置の設計、CTスキャナー用X線発生管の設計、超音波溶接機の振動解析と疲労寿命予測、超電導磁石の電磁振動に対する疲労強度評価、メカトロニクス機器の数値シミュレーションの実用化などに従事。現在ＲＴデザインラボにて、受託CAE解析、設計者解析の導入コンサルティングを手掛けている。⇒ ＲＴデザインラボ