ガラスの熱解析モデリング:輻射に関する設定方法

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ガラス設定モジュール

指向性ガラス

本モジュールは透過率は入射角度に依存する特性を持つガラスのモデリングに使います。

上図の赤枠で囲まれたところは、密度、熱伝導率、比熱のほかに、指向性ガラス特有なパラメータを示しております。具体的には、厚み、屈折率、透過率などです。”Transmittance Determined with Diffuse Illumination”は散乱照射で透過率を決定されいてるかを質問している。Yesの場合は、×マークをチェックします。Noの場合は、×マークを外して、右側の欄に照射角度を設定する必要があります。

読者は多分なぜ厚みや照射条件という物性ぽくないパラメータがここで出ているか、おかしいじゃないかと思っているでしょうかね。

実は、ガラスの性質は一般的にはサンプル品を用いて実験室で測定を通して決められています。単純に、透過率値はいくらかではないです。なぜなら、同じ素材のガラスでも、厚みや実際の照射条件によって、透過率が変わるからです。どんなソフトウェアでも同じですが、ガラスをモデリングする際には、これを理解しないといけないです。

では、下記の通りに、各パラメータの意味を解説したいと思っております。

  • Thickness[mm]:ガラス屋さんが透過率を測定する時に、使っているサンプルガラスの厚みです。TAIThermの熱モデルにてそのガラスパーツの厚みは別値で構わないです、ソルバーは自動的に実際の厚みに応じて透過率を更新します。
  • Index of Refraction: ガラスの屈折率です、いつでも1より大きい値です。理論上では、真空中の光速とガラスの中の光速の比率で定義されています。上記「ガラスの性質」の節の図を使って説明すると、スネルの法則によれば、index of Refraction=sin(α)/sin(β)という関係式が成立しています。ただし、注意していただきたいのは、屈折率は入射光の波長に依存するものですので、一定値ではないです。正確的に、curveをセレクトして、屈折率と波長のカーブを設定することをお勧めです。
  • Transmittance: サンプルガラスで測定された透過率です。同様に、入射光の波長に依存するものですので、一定値ではないです。正確的に、curveをセレクトして、透過率と波長のカーブを設定することをお勧めです。
  • Transmittance Determined with Diffuse Illumination: サンプルガラスの透過率を測定する際に、使っている光源が散乱照射バルブなのか、照射角度が一定なレーザー光源なのかです。
  • Illumination Incident Angle:照射角度一定なレーザー光源を使っているときに、サンプル表面法線方向に対する角度です。すなわち、上記「ガラスの性質」の節の図のαです。

最後に、読者は反射率と吸収率はどこも出てこないですが、どうやって計算されているかという疑問を持っているかもしれないです。答えとして、まず、フレネル式に基づいて屈折率というパラメータから反射率を導出することができます。TAIThermソルバーは自動的に反射率の計算を行っています。詳細は本文では割愛しますが、興味ある方は下記Wikiにご参考ていただきお願いします。

https://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

反射率が求められたら、透過率の設定値を合わせて、下記式から吸収率を導出することができます。

透過率+反射率+吸収率=1

散乱性ガラス

本モジュールは透過率は入射角度に依存しない特性を持つガラスのモデリングに使います。厳密に、こんな特性を持つガラスは世の中に存在していないです。モデリング上設定しやすいため、近似特性をもつガラスは使えると思います。

上図の赤枠で囲まれたところは、密度、熱伝導率、比熱のほかに、散乱性ガラス特有なパラメータを示しております。具体的には、厚み、反射率、透過率です。指向性ガラスのモジュールよりパラメータ数は少ないことが分かります。

上と少し重複になりますが、下記の通りに、各パラメータの意味を解説したいと思っております。

  • Thickness[mm]:ガラス屋さんが透過率を測定する時に、使っているサンプルガラスの厚みです。TAIThermの熱モデルにてそのガラスパーツの厚みは別値で構わないです、ソルバーは自動的に実際の厚みに応じて透過率を更新します。
  • Reflectance: サンプルガラスで測定された、各入射角度に対して平均された反射率です。少しわかりずらいですが、ようは、入射角度は何度にせよ、反射率は変わらないよという考え方ですね。一方、入射光の波長に依存するので、波長によっては反射率が変化します。正確的に、curveをセレクトして、反射率と波長のカーブを設定することをお勧めです。
  • Transmittance: サンプルガラスで測定された、各入射角度に対して平均された透過率です。同様に、入射光の波長に依存するものですので、波長によっては透過率が変化します。正確的に、curveをセレクトして、透過率と波長のカーブを設定することをお勧めです。

反射率と透過率を指定することによって、透過率+反射率+吸収率=1の式からTAIThermのソルバーが自動的に吸収率を計算します。上記の説明のように、ここで計算された吸収率も各入射角度に対する平均値になります。

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