ノズル流れ — トラブルシューティングガイド

ノズルCFD特有のトラブルパターンを見ていこう。

原因: ノズル内衝撃波は背圧に敏感で、数値的な振動が衝撃波位置を揺さぶることがある。

対策:

• CFL数を下げる（Fluentなら0.5-1.0程度）
• 1次精度で計算して定常解を得てから、2次精度に切り替える
• Fluentの場合、FMG（Full Multigrid）初期化を使う
• 残差が完全に定常にならない場合はURANS計算に切り替え（物理的に非定常な可能性）

2-3%程度のずれは壁面境界層による有効断面積の減少（displacement thickness effect）で説明できる。ただし5%以上ずれるなら以下をチェック。

• スロート断面積の定義が正しいか（CAD形状のスロート径を確認）
• 気体定数 $R$ と比熱比 $\gamma$ が入力ミスしていないか
• 2D軸対称計算でwedge角度やaxis条件が正しいか
• 入口の全温全圧が正しく設定されているか

原因: メッシュ品質の問題。特に壁面法線方向に非均等なセル配列がある場合。

対策:

• 壁面に沿った方向のセルサイズ変化率（growth rate）を1.2以下にする
• スロートの曲率が大きい箇所で格子を十分に密にする
• 非構造格子の場合、壁面にプリズム層を入れる
• 結果の後処理でlocal averagingをかける（物理を変えずに可視化を改善）

RANSでは過膨張ノズルの壁面剥離を正確に予測するのは困難だ。以下の経験則で剥離位置を推定してCFDと比較するといい。

Schmucker-Summerfieldの相関式:

ここで $p_{sep}$ は剥離点の壁面圧力、$p_a$ は周囲大気圧。SST k-omegaモデルで壁面圧力がこの値まで回復する位置を剥離点と推定できる。

IDDES（Improved Delayed DES）で非定常計算するのが最善だ。剥離の非対称性や横力変動も捕獲できる。計算コストは100倍以上になるが、ノズルの構造設計にはこのレベルの精度が必要になることもある。