フィルム冷却 — CFDモデリング手法とメッシュ要件

主流のアプローチはRANSだけど限界がある。標準k-εは冷却ジェットの横方向拡散を過大評価する傾向があり、$\eta$ を過大予測しがちだ。Realizable k-εやSST k-ωモデルが推奨されるけど、それでもジェットのlift-off後の再付着を正確に捉えるのは難しい。

LESは冷却ジェットと主流の混合を物理的に正しく再現できるので、$\eta$ の分布がRANSより実験に近い。ただし計算コストがRANSの100〜1000倍になる。実務では設計段階でRANS、最終検証でLESという使い分けが現実的だ。最近ではHybrid RANS/LES（DESやSBESモデル）が妥協案として使われている。

冷却孔の直径 $D$ を基準にする。孔の周方向に最低20分割、孔内部の長さ方向にも20分割程度が目安。壁面第一層は $y^+ < 1$ を目指す。孔出口の下流域は $\Delta x / D \approx 0.1$ のメッシュ密度で少なくとも $x/D = 30$ まで確保するのが理想だ。

そのとおり。実務では3つのアプローチがある。(1) 代表的な孔のみ詳細にメッシュを切り、他は質量流量境界条件で模擬する。(2) Source termモデルを使い、孔を個別にメッシュ化せずに冷却効果を導入する。(3) Ansys FluentのFilm Cooling Modelのような専用機能を使う。STAR-CCM+にもCooling Film機能がある。

OpenFOAMには標準でフィルム冷却専用機能はないけど、codedFixedValueを使って孔出口に速度・温度プロファイルを処方する方法がある。あるいはAMI（Arbitrary Mesh Interface）で孔周辺だけ細かいメッシュの別領域を接続するのも手だよ。