例題4: ダクト内発熱ブロックの強制空冷（共役熱伝達・2 リージョン）
ファンで送風されるダクト内の発熱部品の温度予測を、固体と空気の 共役熱伝達（CHT）で解きます。強制空冷の最小構成モデルで、CHT 解析の 基本ワークフローを学びます。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 解析タイプ | 固体＋流体の熱連成（CHT）・chtMultiRegionSimpleFoam（定常） |
| ジオメトリ | 1000×300×200 mm ダクト中央に 40 mm 角アルミブロック |
| 固体 | アルミ（κ=237 W/m·K, cp=897 J/kg·K, ρ=2700 kg/m³）・発熱 10 W |
| 流入条件 | 空気 3 m/s・300 K（ブロック基準 Re_D ≈ 8,000） |
| 乱流モデル | k-ε |
| メッシュ | snappyHexMesh・ベース 12.5 mm＋ブロック面 2 段細分・約 41 万セル |
| 実行規模（目安） | 8 コア・10,000 反復・約 1.5 時間（CHT の界面結合収束は遅い — 下記） |
所要時間は目安です。実行環境・メッシュ規模・混雑状況により変動します。
この例題で学べること
- CHT の 2 リージョン構成 — 流体（STEP → 面分割）と固体（STEP）を 別々に投入し、界面は自動で熱連成される
- 発熱条件の与え方 — 固体に体積発熱量 [W] を設定する
- 強制対流冷却の定常温度予測 — 部品温度が発熱と対流放熱のバランスで決まる
- エネルギー収支での妥当性確認 — 発熱量が出口へ運ばれる熱量と釣り合うか
実行手順
- ex04_heatsink_forced.ofb.zip をダウンロード
- StreamWright サイドバーの 📂 Load Project (.ofb.zip) に投入
- 設定の見どころ
- 🎯 解析タイプ: 固体＋流体の熱連成（CHT）
- 4️⃣ Physics: 固体領域
heatsink（アルミ・発熱 10 W）・流体は空気 - 1️⃣ Patch Setup: Face_3（ダクト上流面）= inlet 3 m/s、 Face_5（下流面）= outlet、他 4 面 = wall
- 6️⃣ Run タブ → ケースサマリを確認して 🚀 Generate & Run
期待される結果
| 量 | 値 | 確認場所 |
|---|---|---|
| ブロック温度（10,000 反復時点） | 約 342〜343 K（ほぼ等温） | 温度履歴・レポート |
| 温度履歴の漸近外挿（完全定常） | 約 346 K（ΔT ≈ 46 K） | 温度履歴 |
| 質量保存 | 入口 = 出口 = 0.217 kg/s（= ρAU） | swConv モニタ |
| 流体の後流温度上昇 | ブロック下流にサーマルプルーム | 断面コンター |
| 品質チェック | 「注意」（温度がまだ僅かに上昇中 — 下記参照。異常ではありません） | 3 段階総合判定 |
📚 この例題の主眼: 10,000 反復終了時点で温度は定常値の約 92% に達しますが、 まだ +0.7 K/1,000 反復で上昇中のため、品質チェックは正直に「注意」を出します。 ここから (1) 温度履歴の漸近カーブを外挿して定常値を見積もる、(2) 🔁 リスタート 機能で End Time を延長して続きから回す — という実務の収束判断を体験できます。
結果の可視化例（Post Processor タブ）:
妥当性の確認（この解析は正しいか？）
共役強制対流の部品温度に閉形式の厳密解はないため、熱伝達率相関でのオーダー 確認とエネルギー収支で妥当性を見ます。
- 相関による見積り: 角柱まわりの強制対流（Re_D ≈ 8×10³）の平均熱伝達率は h ≈ 20〜40 W/m²K 程度（角柱の相関はばらつきが大きい）。表面積 A = 9.6×10⁻³ m² から ΔT = Q/(h·A) ≈ 26〜52 K の帯域が見積もれます。 解析の外挿定常値 ΔT ≈ 46 K（h_eff ≈ 23 W/m²K）はこの帯域内です
- エネルギー収支: 定常では発熱 10 W = 空気が持ち去る熱量 （ṁ·cp·ΔT_bulk）。ダクト全体の混合平均温度上昇は約 0.05 K と小さいですが、 ブロック後流の局所温度上昇として明瞭に見えます
💡 アルミの熱伝導率が高い（Bi ≪ 1）ため、ブロック内はほぼ等温になります。 これも解の物理的な健全性チェックの一つです。
知っておくべき CHT の性質: 定常でも数千反復かかる
CHT の定常解析は、流体と固体を交互に解いて界面で熱を受け渡す方式 （segregated 結合）のため、固体温度の立ち上がりが指数的にゆっくり収束します。 この例題の実測では 10,000 反復で定常値の約 92%（342.5 K / 外挿 346 K）に到達 します。単相流の例題（数百反復）とはスケールが違う点に注意してください。
- 収束の判断は固体温度の履歴で: 残差だけでなく、Run タブの温度履歴が 水平漸近していることを確認します
- 途中で打ち切った場合: 温度は必ず「低い側」に外れます（まだ温まりきって いない）。過小な温度予測は設計上危険側なので、収束確認は必須です
- 続きから回せます: Run タブの 🔁 リスタートで、Control タブの End Time を 増やしてから続行すれば、メッシュ生成をやり直さずに反復を追加できます
- ※固体の cp・ρ は定常解にも収束速度にも影響しません（本ソルバは固体を 時間項なしで解くため）。反復数を左右するのは緩和係数と界面結合です
自分の問題に応用するには
- 実際のヒートシンク形状: フィン付き形状の STEP を固体として与えるだけで 同じ流れで解けます。フィンギャップにメッシュが入るよう、固体の細分レベルと ベースメッシュを調整してください（目安: 最小ギャップに 2〜3 セル）
- 複数発熱部品: 固体領域は複数追加できます（例題5 で扱っています）
- 発熱量・風量の感度: ΔT はおおむね発熱量に比例、風速の約 0.6〜0.8 乗に 反比例します。まず 1 ケース解いてから相関でスケーリングすると効率的です
- 自分のジオメトリで解くには: 固体を流体ボリュームに内包させる考え方は ジオメトリ準備ガイド 第3章（CHT） にまとめています。CAD ソフト別の操作は 第7章 を参照してください
ジオメトリ: fixtures/cht/heat_sink_1（例題用に定常ソルバ＋縮小メッシュで再設計。 検証: 2026-07-16 実機 E2E・h 相関帯域との整合を確認）