OpenFOAMで自然換気と快適性評価をやってみた（PMV・PPD・空気齢）

すっかりOpenFoamにのめり込んでしまっています。

次に行うのは、部屋の自然換気の計算です。

今回はOpenFOAM（v2412）を使って、室内の自然換気と快適性評価（PMV, PPD, 空気齢など）をやってみた。

モデルはSTLで作った「壁と屋根に開口を持つ室内」。窓から空気が入って、天井の開口から抜けていくイメージ。

ソルバーは buoyantSimpleFoam を使用。定常状態の熱流体解析を目指します。

CFDだけで「空気の流れ」＋「温度分布」＋「快適かどうか？」まで全部見られるのは面白いです。

使用モデルと条件

• モデル：STLファイル3種（壁・inlet・outlet）
  • wall.stl（壁・床・天井）
  • inlet.stl（壁の通気口）
  • outlet.stl（屋根の排気口）
• 室内サイズ例：5m × 5m × 3m（だいたい）
• 条件設定：真夏の猛暑を想定
  • 壁温度：315 K（約42℃）
  • 外気温：310 K（約37℃）
  • 窓からの流入温度：25℃の冷風
  • 重力方向：-Z（g = (0 0 -9.81)）
  • 乱流モデル：kOmegaSST
  • Boussinesq近似：使用（密度差による浮力だけ考慮）

境界条件の設定メモ

• 0/T（温度）
  • wall：fixedValue 315;
  • inlet：fixedValue 298; outlet：type zeroGradient;
• 0/U（速度）
  • wall：noSlip;
  • inlet：fixedValue uniform (0 0.5 0);
  • outlet：pressureInletOutletVelocity;
• 0/p_rgh（静水圧補正圧力）
  • wall：fixedFluxPressure;
  • outlet：prghTotalHydrostaticPressure;
• 0/alphat：calculated（内部は 1e-5、壁は,compressible::alphatJayatillekeWallFunction)

数値安定化の工夫

• 速度制限（fvOptions）
  • velocityDampingConstraint で UMax 10;
  • 数値発散を防止しつつ物理的な上限も保てる
• 温度制限（fvOptions）
  • limitTemperature で min 273; max 330;
  • 上昇しすぎや低下しすぎをクランプ（冷えすぎて全体280K固定化 → 起きる）

快適性評価（PMV/PPD/DR）

• OpenFOAMの comfort functionObject を使用
  • 出力される場：
    • PMV：-3（寒い）〜 +3（暑い）
    • PPD：%（不快と感じる人の割合）
    • DR：ドラフト感度（寒い空気の風当たり）
• 条件パラメータ：
  • 着衣量（clo）：0.6
  • 代謝量（met）：1.2
  • 放射温度：壁温度と同じ
  • 湿度：50%

換気効率評価（空気齢）

• がっつりチュートリアルを参考にしています。
  
• age functionObject を使用（OpenFOAM v2412以降で標準装備）
• 年齢0（fresh air）がinletから入り、1秒ごとに「1歳とる」
• 滞留してる空気は「年を取っている」→ 換気効率が悪いエリアがわかる
• age フィールドとして出力（ParaViewで等値面で見やすい）

収束と計算時間短縮テクニック

• スキーム：
  • div(phi,U) → div(phi,U) bounded Gauss upwind;
• ソルバー：
  • p_rgh → GAMG
  • U, T → smoothSolver（relTol 0.01）
• fvSolution：
  • SIMPLE { consistent yes; } → SIMPLEC方式で加速
  • nNonOrthogonalCorrectors 2;

まとめ

• OpenFOAMで自然換気 + 快適性評価が一通りできました。
• STLジオメトリでも functionObject をうまく使えば、空気齢やPMV/PPD/DRまで評価できます。
• 温度や速度が暴走しないように fvOptions で制御するのがポイントですね。
• ParaViewでの流線・温度断面・空気齢等値面表示がわかりやすくて超便利です。
• 次は条件を変えて「通風 vs 自然換気の比較」や、「家具あり/なし」の差も見ることが出来そうです。