流体解析（CFD）
流体解析（CFD）
圧縮性・非圧縮性流れ、乱流モデル、多相流、燃焼シミュレーションに関する技術記事
はじめての流体解析（CFD） — 入門ガイド
流体解析（Computational Fluid Dynamics: CFD）とは、流体（気体・液体）の運動をナビエ-ストークス方程式に基づいて数値的に解く技術です。自動車の空力設計、建築物の風環境評価、電子機器の冷却設計、化学プラントの混合最適化など、あらゆる産業分野で活用されています。
CFDで解決できる課題
- 空力特性：抗力・揚力の予測、流線の可視化、ウェイクの解析
- 熱流体：対流熱伝達係数の評価、電子機器・バッテリーの温度分布予測
- 混合・反応：流体の混合効率、燃焼過程のシミュレーション
- 多相流：気液二相流、スロッシング、噴霧・液滴挙動
- ターボ機械：ポンプ・ファン・タービンの性能予測と最適化
CFDの基本ワークフロー
- 形状準備：流体領域（計算領域）の定義。ウォータータイトなCADモデルが必須
- メッシュ生成：境界層メッシュ（プリズム層）の設定が精度を大きく左右
- 物理モデル選択：乱流モデル（RANS/LES/DNS）、圧縮性/非圧縮性の選択
- 境界条件：入口（速度/圧力）、出口、壁面（滑りなし/滑り）の設定
- 求解：SIMPLE系アルゴリズム等で反復計算。残差と物理量のモニタリングが重要
- 後処理：流線、速度/圧力コンター、断面表示、力の積分値確認
初心者の方は、まず非圧縮性定常RANS解析（例: k-ωSST乱流モデル）から始めることを推奨します。
学習ロードマップ
| レベル | 学習内容 | 推奨記事 |
|---|---|---|
| 初級 | 非圧縮性流れの基礎、RANS乱流モデル、メッシュ生成 | 基礎方程式 → k-ε/k-ω → メッシュ品質 |
| 中級 | 圧縮性流れ、多相流、熱連成、LES | 圧縮性 → VOF法 → 共役熱伝達 → LES基礎 |
| 上級 | 燃焼、FSI、ターボ機械、DNS/LES高精度手法 | 反応流 → FSI → 動静翼 → スペクトル法 |