エンジン専用熱流体解析プログラム『CONVERGE』

『CONVERGE』は、米国Convergent Science社によって開発された
革新的なエンジン専用の熱流体解析プログラムです。

従来のCFDツールで作業効率向上の大きな障害となっていたメッシュ生成
プロセスが、ソルバーに搭載された完全自動メッシュ生成機能がカバーする
ため、従来に比べて飛躍的にメッシュ生成作業の期間が短縮されます。

当製品が生成するメッシュは完全に直交格子ベースで、解適合格子をはじめ
とする多くのメッシュ制御オプションにより、最小の計算負荷でより高い
精度のシミュレーションが可能です。

また、豊富な物理モデルを搭載しており、全てのタイプのエンジンシミュ
レーションに適応できます。

【特長】
■使いやすいGUI
■ソルバーによる完全自動メッシュ生成機能
■ピストンやバルブなど、移動境界問題に対する極めて簡便な条件設定
■解適合格子機能により最小の計算コストで高い解析精度を実現
■解析結果の作業者依存を最小化

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LOGEsoftは、化学反応を伴う熱流体問題、特に近年、関心が高まっている素反応ベースの反応解析に適用できる化学反応解析用統合Suiteパッケージです。化学種3,000成分に及ぶ大規模な素反応メカニズムにも対応できる、高速かつ堅牢な素反応解析ソルバーを装備しています。
また、0次元ならびに1次元の標準的反応器アプリケーションを持ち、パッケージ単独で活用することができます。さらに、標準パッケージ内に、API(Application Programing Interface)やCFDpluginを有し、これらを用いれば自前の素反応解析アプリケーション開発や、汎用CFDプログラムと連成解析を行うことができます。

自動車、重工業、化学、素材等の主要産業をはじめとする化学反応が関わる広い分野での適用が可能です。本製品の開発元であるLOGE（Lund Combustion Engineering) 社は、スウェーデンに拠点を置くベンチャー企業で、ルンド大学の出身者らが創業しました。現在は、ルンド大学はじめとする欧州の研究機関とのパートナーシップに基いて、最新の研究成果を製品に反映し続けています。 （詳細を見る）

アイシン精機株式会社様へのエンジンシステムのご提案に当社製品を
活用された事例についてご紹介します。

同社では、VVTの適合値や他社製品の適合値も含めてご提案されています。
しかもそれが、定常燃費点だけでなく、リアルドライビング、つまり過渡の状況
でも議論しなければならないため、シミュレーション技術の向上が重要です。

GT-SUITEやCONVERGE、modeFRONTIERといったツールは、
目標達成のための切り札として期待されています。

【特長】
■エンジンシステム全体の提案に不可欠なシミュレーション技術
■フロントローディングを加速させるための最適化技術

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三菱電機様が多種多様な熱流体システム技術構築に当社の製品を
ご活用いただいた事例をご紹介いたします。

同社は今後の技術構築のために最適化ツールの活用が必須であると考え、
modeFRONTIERとFloTHERMを導入し、早速、業務で必要になった
自然空冷ヒートシンクの形状最適化にトライされました。

最適化の計算条件は、入力変数に内側フィンの枚数、ベースの厚み、
フィンの高さ、フィンの厚みを設定し、幅、長さ、全体の高さは固定値として、
最適化計算を実施、最適形状を抽出を実現。
さらに、基板上の部品配置の最適化計算にも活用されています。

【特長】
■汎用的な技術を構築し製品開発に貢献
■大規模計算、ユーザー数の増加、多拠点化などに対応できるCFDツール
■計算時間の短縮が見込める

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トヨタ自動車様がWEC、SUPER GT、SUPER FORMULA向けエンジン・
車両開発に当社の製品をご活用いただいた事例をご紹介いたします。

レース用エンジン開発は、開発期間が著しく短いため、わずかな試作回数で
様々な仕様を決めなくてはならず、設計完了時点で高いレベルでの初期性能も
求められます。

CAEやシミュレーションは、実機が無い段階で車両性能および
コンポーネント性能を高めるための必須の技術として、今では設計プロセスに
「GT-SUITE」「modeFRONTIER」「CONVERGE」を組み込まれています。

【CONVERGEの特長】
■解適合格子（AMR）機能による計算精度向上と速度向上の両立
■完全自動メッシュによるプリ工数の大幅削減
■SAGEやECFMなどの高度なエンジン燃焼モデルの標準搭載

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エンジン専用熱流体解析プログラム『CONVERGE』では、エンジン筒内の
流動、燃料噴霧、燃焼のシミュレーションだけでなく、固体内部の
熱伝導解析を筒内の流体部分の熱計算と連成して計算することができます。

こちらはピストンの固体（金属）部分の熱伝導の解析と、エンジン筒内の
流動・燃料噴霧、燃焼解析を同時に連成して計算をした事例です。

従来のピストン熱伝導解析では筒内側の境界条件を均一に与えて
評価するケースがほとんどでしたが、本事例のように筒内の燃焼状態を
同時に解くことによってより現実に近い温度境界条件をダイナミックに
与えることが可能となり、より高い精度の熱伝導解析が期待できます。

【特長】
■筒内の燃焼状態を同時に計算
■現実に近い温度境界条件をダイナミックに与えることが可能

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2ストロークエンジンの噴霧、および燃焼予測をおこなった計算事例です。

2ストロークエンジンのため、クランクケース内部も含めてモデル化をする
必要があり、アニメーションに示すとおり、ピストンと
コネクティングロッドの移動を含めた計算をおこなっています。

『CONVERGE』ではピストンやバルブの移動だけでなく、このような
コネクティングロッドのように複雑な動きを伴う移動境界の設定も簡単に
おこなうことができます。

【特長】
■ピストンやバルブの移動
■コネクティングロッドのように複雑な動きを伴う移動境界の設定が簡単に可能

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定容器における噴霧、および燃焼計算をおこなった事例です。

『CONVERGE』の解適合格子（AMR： Adaptive Mesh Refinement）機能により、
噴霧近傍（速度勾配）および燃焼領域（温度勾配）だけに効率よく
細かいメッシュを配置して、高い解析精度を実現しています。

【特長】
■効率よく細かいメッシュを配置
■高い解析精度を実現

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『CONVERGE』に搭載されているメッシュ制御機能は、定常計算にも
非常に有効です。

本事例は、ディーゼルエンジンのスワール比を定常計算により予測したもので、
解析初期（流れ場がまだ安定していない時期）には粗いメッシュで
計算することにより、効率よく全体のフローパターンを予測しています。

その後、グリッドスケーリング、
および解適合格子（AMR： Adaptive Mesh Refinement）によって徐々に
解析負荷を高めつつ、解析精度をあげるプロセスで計算が進行しています。

【特長】
■解析初期には粗いメッシュで計算し、効率よく全体のフローパターンを予測
■グリッドスケーリング・解適合格子によって徐々に解析負荷を高めつつ、
　解析精度をあげる

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『CONVERGE』は、米国Convergent Scienceによって開発された
革新的な熱流体解析プログラムです。

強力な自動メッシュ生成機能により、本事例のようなピストンやバルブの
移動を伴うエンジンシミュレーションを簡単に実施することができます。

【特長】
■強力な自動メッシュ生成機能
■ピストンやバルブの移動を伴うエンジンシミュレーションを簡単に実施

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『CONVERGE』は、メッシュを計算実行中にソルバーが完全に自動で生成するため、
ユーザーはエンジンの表面形状さえ用意すればメッシュ作成プロセスから
完全に解放されます。

このため、『CONVERGE』は、原理的に形状最適化問題に対する親和性が
非常に高く、表面形状をモーフィングすることによるピストン形状最適化の
計算を、比較的簡単におこなうことができます。

【特長】
■メッシュを計算実行中にソルバーが完全に自動で生成
■メッシュ作成プロセスから完全に解放

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4気筒エンジンのマルチサイクル、マルチシリンダー解析をおこなった事例です。

『CONVERGE』は、効率の良い並列計算が可能であるため、このような多気筒、
多サイクル計算を現実的な計算時間でおこなうことができます。

また、自動車総合シミュレーションプラットフォームGT-SUITEと連成解析を
おこなうことができ、1次元計算と3次元計算の特徴を併せ持つ、より実現象に
近い計算が可能です。

【特長】
■効率の良い並列計算が可能
■GT-SUITEと連成解析をおこなうことが可能

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『CONVERGE』では、解適合格子(AMR： Adaptive Mesh Refinement)
をはじめとする多くのメッシュ制御機能を使用することにより、
最小限の計算負荷で高い解析精度を実現することが可能です。

こちらは、ディーゼルエンジンのセクターモデルにおける噴霧燃焼計算の事例で、
噴射期間中は噴霧近傍のメッシュが局所細分割機能によって自動的に
細分割されています。

また、温度勾配・速度勾配に対応するAMRによって、計算精度を高める上で
必要な部分のメッシュを自動的に細分割し、計算精度向上を図った結果を
示しています。

【特長】
■最小限の計算負荷で高い解析精度を実現することが可能
■メッシュが局所細分割機能によって自動的に細分割される

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直噴エンジンの流動、噴霧、および燃焼を『CONVERGE』により計算した結果です。

燃料噴射と蒸発にともなう混合気形成、点火プラグによる点火、
および火炎伝播の計算をおこなっています。

燃焼モデルはSAGE詳細反応モデルにより、素反応レベルの燃焼プロセスを
考慮してます。

さらに解適合格子（AMR： Adaptive Mesh Refinement）によって火炎帯部分の
メッシュに高い解像度のメッシュを自動的に配置することによって、
火炎伝播計算の解析精度を向上させています。

【特長】
■素反応レベルの燃焼プロセスを考慮
■火炎伝播計算の解析精度を向上

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タンブルを強化する目的で、吸気ポート内部に設置されたバルブが
ある場合と無い場合の流れ場を、『CONVERGE』によって計算して比較しています。

この事例では、速度勾配に応じて
解適合格子（AMR： Adaptive Mesh Refinement）をかけているため、
バルブを通過する領域など、速度勾配の大きな部分のメッシュが自動的に
細分割されており、より高い精度での計算が期待できます。

この事例の動画をご覧いただけます。

【特長】
■吸気ポート内部に設置されたバルブがある場合と無い場合の流れ場を計算して比較
■速度勾配の大きな部分のメッシュが自動的に細分割されている

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『CONVERGE』では、解適合格子（AMR： Adaptive Mesh Refinement）機能により、
解析変数の勾配に応じて適切なメッシュをソルバーが自動的に制御します。

本事例は、翼周りの超音速流れ場解析を『CONVERGE』を用いて計算した例で、
AMRによって衝撃波が非常に高い解像度で予測できていることを示しています。

【特長】
■解析変数の勾配に応じて適切なメッシュをソルバーが自動的に制御
■AMRによって衝撃波が非常に高い解像度で予測可能

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『CONVERGE』では、解析メッシュを計算実行中にソルバーが自動的に
生成します。

そのため2軸スクリューコンプレッサのような複雑な回転運動を
伴う移動境界問題に対して、非常に高い作業効率で計算をおこなうことが
可能です。

【特長】
■解析メッシュを計算実行中にソルバーが自動的に生成
■非常に高い作業効率で計算をおこなうことが可能

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CONVERGE登場以前のバルブ・ピストンの移動を伴う筒内解析は、メッシュ作成や物理モデルの難易度から、特殊技能を持つCFDエンジニアの“職人技”だとされてきました。
CONVERGEはその画期的な特長により、2日間の操作トレーニングをご受講いただければ、自由自在に筒内解析を実施いただけるほどの使いやすいソフトウェアであり、世界中でエンジン解析にご活用いただいています。
昨今の内燃機関の設計・開発プロセスにおいては、カーボンニュートラル達成のためのさらなる燃費向上が要求される一方で、ニューノーマル時代に適応するために実験や適合工数の削減が必須で、より一層効率的に開発を進めることが求められています。 （詳細を見る）