極超音速流れ — 商用ツール比較と選定ガイド

極超音速は化学反応・高温気体を扱うため、一般的なCFDソルバーでは不十分な場合がある。専用コードと汎用コードを比較してみよう。

DPLRやLAURAはNASA内部コードで一般公開されていない。ただしUS3Dは大学ライセンスがあり、hy2FoamはGitHubで公開されている。商用ソルバーで極超音速をやるなら、Fluentの実在気体モデル＋UDF（User Defined Function）でParkモデルを実装するケースが多い。

主なポイントを整理しよう。

• ソルバー: Density-Basedソルバー必須（Pressure-Basedは不向き）
• フラックススキーム: Roe-FDS or AUSM
• 気体モデル: Species TransportでN₂, O₂, NO, N, Oの5種を定義
• 反応メカニズム: Finite-Rate Chemistryで各反応のArrhenius係数を入力
• 輸送係数: Kinetic-Theory or Sutherlandの式（高温域ではBlottner curvefit推奨）
• CFL制御: 初期0.5 → 収束に応じて段階的に増加

標準機能では1温度モデルのみ。2温度モデルが必要ならUDFでエネルギー方程式を追加する必要がある。これはかなりの開発工数になるから、hy2Foamの方が手軽な場合もある。

ストラスクライド大学のVincent Casseau博士が開発したOpenFOAMベースのソルバーで、Parkの2温度モデルや多種空気モデルが実装済みだ。FIRE IIやRAM-Cの検証論文も出ている。研究用途なら十分実用的だし、ソースコードを読んで熱化学モデルの実装を学ぶ教材としても優秀だ。

ただしGUIはないから、全てテキストファイルベースの設定になる。また並列計算のスケーラビリティやメッシュサイズの実績は商用コードに及ばない点は理解しておく必要がある。