乱流モデル — CAE用語解説

カテゴリ: 用語集 | 2026-01-15
turbulence-model

乱流モデル(Turbulence Model)

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「乱流モデル(Turbulence Model)」って聞いたことはあるんですけど、ちゃんと理解できてないかもしれません…



定義

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「定義」について教えてください!


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乱流モデルは、RANSまたはLES方程式で生じる未知量(レイノルズ応力、SGS応力)を既知量で近似する数学モデル。CFDにおける解析精度と計算コストのトレードオフを決定する最重要パラメータの一つ。



分類と代表モデル

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次は分類と代表モデルの話ですね。どんな内容ですか?


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#### 零方程式モデル

  • Mixing Length: Prandtlの混合距離モデル
  • Spalart-Allmaras (SA): 1方程式($\tilde{\nu}$の輸送方程式1本)、外部空力に適用

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#### 二方程式モデル

Standard $k$-$\varepsilon$ (Launder & Spalding, 1974):


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これを数式で表すとこうなるよ。


$$ \frac{\partial(\rho k)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho k \mathbf{u}) = \nabla \cdot \left[\left(\mu + \frac{\mu_t}{\sigma_k}\right) \nabla k\right] + P_k - \rho\varepsilon $$
$$ \frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho\varepsilon \mathbf{u}) = \nabla \cdot \left[\left(\mu + \frac{\mu_t}{\sigma_\varepsilon}\right) \nabla\varepsilon\right] + C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}P_k - C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^2}{k} $$

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うーん、式だけだとピンとこないです… 何を表してるんですか?


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渦粘性: $\mu_t = \rho C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon}$、$C_\mu = 0.09$


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$k$-$\omega$ SST (Menter, 1994):

壁面近傍で$k$-$\omega$、外部流れで$k$-$\varepsilon$をブレンディング関数で切替。


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式にするとこう。一つずつ見ていこう。


$$F_1 = \tanh\left(\arg_1^4\right)$$

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この式のイメージを教えてもらえますか?


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#### レイノルズ応力モデル (RSM)

レイノルズ応力$\overline{u_i'u_j'}$の6成分の輸送方程式を直接解く。異方性乱流を再現可能だが計算コストが高い。



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今日は乱流モデルについて色々教えてもらって、かなり理解が深まりました! ありがとうございます、先生!


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うん、いい調子だよ! 実際に手を動かしてみることが一番の勉強だからね。分からないことがあったらいつでも聞いてくれ。


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