圧縮性乱流モデリング — 商用ツール比較と選定ガイド

主要なCFDソルバーの圧縮性乱流関連機能を比較してみよう。

Fluentでは密度ベースソルバー（density-based solver）を選択するのが圧縮性流れの基本だ。設定のポイントは以下のとおり。

• Solver: Density-Based, Implicit
• Flux Type: Roe-FDS または AUSM
• Gradient: Green-Gauss Node Based（精度向上）
• Turbulence: SST k-omega → Compressibility Effects をONに
• DDES使用時: SSTベースでDES optionを有効化、Shield Function = yes

OpenFOAMには圧縮性流れ用のソルバーが複数用意されている。

• rhoCentralFoam: 中心差分ベース、KNP（Kurganov-Noelle-Petrova）スキーム。衝撃波捕獲に適している
• rhoSimpleFoam: 定常圧縮性RANS。SIMPLE系アルゴリズム
• rhoPimpleFoam: 非定常圧縮性。PIMPLE（PISO+SIMPLE）アルゴリズム。DES/LESに使用
• sonicFoam: 遷音速〜超音速向け陽解法ソルバー

圧縮性補正はturbulencePropertiesの辞書ファイルで設定する。例えばSarkar補正を使う場合、kEpsilonモデルのcoeffsサブ辞書に alphaK1 1.0; のような係数を追加するか、カスタムのturbulence modelクラスを作成する必要がある。

NASAではFUN3D（非構造格子）やOVERFLOW（重合格子）が広く使われている。JAXAではFaSTAR（非構造格子圧縮性ソルバー）が開発されているよ。これらは高マッハ数での精度検証が徹底されているという強みがある。

設計業務では商用ツールのGUIとサポートが生産性に直結する。一方、研究レベルの精度が必要な場合や、新しい乱流モデルの実装・検証には研究コードやOpenFOAMが柔軟性で優れている。両方使いこなせるのが理想だね。