例題14: 高温部品からの輻射伝熱（CHT + viewFactor 輻射）
高温部品では、対流だけでなく熱輻射が無視できない放熱経路になります。 この例題では ex04 と同じヒートシンクの発熱を 3 倍（30 W）に上げて 固体を高温帯に置き、表面間輻射（viewFactor モデル）の効果を 輻射 ON/OFF の温度差と熱収支（保存則）で定量的に確かめます。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 解析タイプ | 固体＋流体の熱連成（CHT・2 リージョン）＋ 輻射 |
| ソルバ | chtMultiRegionSimpleFoam（定常）・輻射は viewFactor（表面間放射） |
| 乱流モデル | k-ε |
| ジオメトリ | ダクト内アルミヒートシンク（ex04 と同一形状） |
| 発熱 | 30 W（ex04 の 3 倍 → 固体 ~430 K の高温帯） |
| 輻射設定 | 壁面放射率 ε = 0.9・solverFreq 5（検証済み推奨値） |
| メッシュ | snappyHexMesh・約 10 万セル（固体まわり細分化 level 2） |
| 実行規模（目安） | 8 コア・約 4.5 時間（定常 10,000 反復）・1 クレジット |
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
- 輻射の有効化 — 解析タイプタブのチェック＋ Physics タブでモデルと 壁面放射率を選ぶだけ（viewFactor の並列前処理は自動実行されます）
- 輻射が効くかどうかの判断 — 温度帯だけでは決まりません。放射熱伝達率 h_r と対流熱伝達率 h_conv の比で見積もる方法と、ON/OFF 比較で 自分の問題での寄与を実測する方法（下記「輻射を無視できるか」）
- 熱収支による検証 — 「固体から出る熱 = 発熱量」の保存則と、 輻射分 qr の Stefan-Boltzmann 概算との整合を確認する
実行手順
- ex14_radiation_heatsink.ofb.zip をダウンロードする
- StreamWright サイドバーの 📂 Load Project (.ofb.zip) にドラッグ＆ドロップする
- 各タブで設定を眺める（変更は不要です）
- 🎯 解析タイプ: CHT ＋ 追加機能「☀️ 輻射」が ON
- 4️⃣ Physics: 輻射モデル viewFactor・壁面放射率 0.9・発熱 30 W の アルミヒートシンク
- 6️⃣ Run タブ → 🚀 Generate & Run （decomposePar → faceAgglomerate → viewFactorsGen → ソルバーの順で自動実行）
期待される結果
実行が正常に終われば、以下とほぼ同じ数値になります（見本: sample_report.html）。
| 量 | 値 | 確認場所 |
|---|---|---|
| 固体最高温度（輻射 ON） | 397.3 K | レポート・Post Processor |
| 固体最高温度（輻射 OFF で再実行） | 426.9 K（輻射で 29.5 K 低下） | 同上 |
| 熱収支 ∫wallHeatFlux(固体) | 29.6 W ≒ 発熱 30 W（−1.2%） | postProcessing（下記手順） |
| 界面の輻射熱流 ∫qr | 8.2 W（全放熱の 27%） | postProcessing（swRad_qr） |
| 品質チェック | 合格（PASSED） | 3 段階総合判定 |
温度場の可視化（Post Processor タブ）:
熱収支との照合（この解析は正しいか？）
輻射を含む定常 CHT では、次の 2 つが成り立っているはずです。
- 保存則: 固体表面から出る全熱流束の積分 = 発熱量 30 W（±10%）。 本例題では固体リージョンの wallHeatFlux を自動出力しています
- 輻射分の妥当性: 界面の放射熱流 ∫qr は、灰色面の Stefan-Boltzmann 上限 εσ(Ts⁴−T∞⁴)·A に対し 0.3〜1.1 倍 （フィン間の自己視野・温度分布があるため上限より下がる）
照合手順（リポジトリの解析スクリプトで再現可能）:
# 輻射 OFF（解析タイプタブでチェックを外す）で実行した後に記録
python scripts/analyze_radiation_heatsink.py Simulation_Run --save-off off.json
# 輻射 ON（本例題の設定のまま）で実行した後に照合
python scripts/analyze_radiation_heatsink.py Simulation_Run --compare off.json
解析結果: 保存則 −1.2%・qr/εσ(Ts⁴−T∞⁴)A = 0.99・ΔT_rad = 29.5 K で全項目パス
💡 放射率 ε は表面仕上げで大きく変わります（黒アルマイト ~0.9・ 研磨アルミ ~0.05）。ε を 0.05 に変えると輻射の寄与がほぼ消えることも 確かめられます。
輻射を無視できるか（事前の見積もり方）
輻射の寄与は温度帯だけでは決まりません。表面温度・周囲温度・放射率・ 形態係数・そして対流熱伝達率の組み合わせで決まります。走らせる前に オーダーを掴むには、放射を線形化した放射熱伝達率を対流熱伝達率と 比べるのが実務的です。
h_r = ε·σ·(Ts² + T∞²)·(Ts + T∞) [W/(m²·K)]
輻射の寄与 ≈ h_r / (h_r + h_conv)
ε = 0.9・T∞ = 300 K の場合の h_r:
| 表面温度 Ts | h_r |
|---|---|
| 314 K | 約 5.9 W/(m²·K) |
| 350 K | 約 7.0 W/(m²·K) |
| 397 K（本例題） | 約 8.8 W/(m²·K) |
自然対流の h_conv は空気中で数 W/(m²·K) 程度なので、室温付近であっても 高放射率の表面・自然対流の条件では、輻射は対流と同程度かそれ以上になり得ます。 逆に強制対流（h_conv が 10〜100 W/(m²·K)）や低放射率表面（研磨金属 ε ~0.05） では相対的な寄与は小さくなります。
本例題は強制対流ダクト内（h_conv が大きい側）にもかかわらず ε = 0.9・ Ts ≈ 397 K で qr = 8.2 W（全放熱の 27%） となっており、上の見積もりと 整合します。迷ったら輻射 ON/OFF の 2 回実行で実測するのが確実です。
自分の問題に応用するには
- モデル選択: 表面間放射が主体の筐体・空洞は viewFactor。 媒体（煙・燃焼ガス）の吸収が効く問題は P1 / fvDOM（実験的）を検討
- 入れるか外すかの判断: 上記 h_r / h_conv の比で見積もり、境界的なら ON/OFF の 2 回実行で実測してください。密閉筐体・真空環境・高放射率表面 では原則必須です（真空では輻射が唯一の放熱経路になります）
- 計算コスト: viewFactor は前処理（視野係数計算）が重いため、 メッシュを変えるたびに前処理が再実行されます
- 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（ex04 と共用）。 検証: 2026-07-23 実機 E2E で T_on=397.3 K / T_off=426.9 K（ΔT_rad=29.5 K）・保存則 −1.2%・qr=8.2 W（SB 上限比 0.99）・PASSED を確認