化学種輸送方程式 — 実践ガイドとベストプラクティス

Species Transport + Finite Rate Chemistryの直接解法（EDCやフレームレットを使わない場合）の手順だ。

1. 非反応流計算 -- 全化学種の輸送なしで流れ場を収束させる

2. 化学種の初期化 -- 燃料入口に $Y_F = 1$、空気入口に $Y_{O_2} = 0.233$, $Y_{N_2} = 0.767$

3. 反応有効化 -- 着火パッチ（高温領域）を設定して反応を開始

4. 収束確認 -- 出口温度、化学種質量分率のモニタリング

5. 後処理 -- 温度場、CO/NOx分布、輻射熱流束

化学種 $N_s$ ごとに追加の輸送方程式が必要なため、コストはほぼ $N_s$ に比例する。さらに反応ソース項のヤコビアンは $N_s \times N_s$ 行列になるため、Stiff ODEの積分コストは $O(N_s^2)$ 以上だ。

だからこそ実務ではDRM-19やLu13のような縮約機構が重要なんだ。3D RANSでは20化学種以下が実用的な上限だ。

Finite Rate Only（Arrheniusのみ）では乱流と化学反応の相互作用を無視するため、平均温度から反応速度を計算する。これは乱流変動の非線形効果（$\overline{\exp(-E_a/RT)} \neq \exp(-E_a/R\bar{T})$）を見逃す。

実務的な選択肢:

そうだ。理想的にはEDCやフレームレットで乱流効果を考慮すべきだが、まずはFinite Rate Onlyで反応機構の挙動を確認し、段階的にモデルの複雑さを上げていく手順が安全だ。