流体解析

流体解析ソフトとは

流体解析ソフトとは、空気や水などの流体の流れをシミュレーションによって解析するものです。

流体解析ソフトは、実験と比べてコストや時間がかからないため、設計段階で活用されています。また、一般に、液体や気体などの流体の流れる動きを実験などを通して読み取るのは難しかったりコストが多くかかります。

そこで、計測器が計測できないような高温・高圧の環境での流体の動きや、津波や河川などの大規模で実験ができない環境でも活用できる流体解析ソフトが重宝されています。

流体解析ソフトの使用用途

流体解析ソフトは、様々な製品の研究開発の現場、生産ラインの現場、天気予報などで使用されます。自動車のエンジン内部の流れや圧力の状態、自動車が受ける抵抗を小さくするための解析、CPUなどの冷却機構の開発など幅広くあります

• 自動車が走行中に空気によってうける力の解析
• 空調使用時の部屋の気流の解析
• 熱を発する機械の冷却機構の効率性の向上に向けた気流の解析
• 天気予報における風向きや気圧の解析
• スクリュー羽根などの回転の解析

流体解析ソフトの原理

図1. 流体解析の原理

流体解析ソフトは、以下にあげる2つの基礎方程式をコンピュータによって数値計算することで、流体の流れを分析します。

1. 連続の式(質量保存)

流体が何も無い空間中から勝手に湧き出してきたり，何も無い空間中で突如消えたりするという，いわゆる「無から有を生じる」ことは無いという規則です。急に水が湧いて出てきたりしないということです。

2. 運動量保存則 (ナビエ・ストークス方程式) 

物体の運動の激しさというのはなにか外から力を与えない限り変化しないという法則です。実はニュートンの運動方程式から導かれます。

さらに、温度なども分析する場合にはエネルギー保存測も含めた式を解きます。

流体解析ソフトの構成

図2. 流体解析の構成

商用の流体解析ソフトは、モデル作成部分と、シミュレーション実行部分、さらにポスト処理部分がセットになっていることが多いですが、シミュレーション実行部分 (ソルバ) だけのものやモデル作成部分専用のソフトなどもあります。また

1. 前処理・モデル作成部分

モデル作成とは、流体解析を行う形状を作成する工程です。多くの場合、3DCADでつくったSTEPやIGES,Parasolidなどのファイル形式を利用できます。熱流体解析ソフトでは、さらに作成した構造のどこが流体の流入する部分なのか、どこが温度一定の部分なのかといった境界条件を設定する機能が備わっています。

計算を実行するために、モデルの形状をメッシュとよばれる格子で表現します。このメッシュを綺麗に作成することが解析の速度を上げ精度を高める重要な要素です。モデル作成ソフトでは、大きさなどを簡単に選択して、自動的に品質の高いメッシュを生成する機能が備わっています。

2. シミュレーション実行部分

ここでは、通称ソルバと呼ばれる部分を指しています。狭義での流体解析ソフトとはこの部分のみを指します。ソルバは連続の式や運動量保存式、エネルギー保存式などを解く機能が備わっています。

昨今はより複雑なモデルを解く機能が備わっていたり、コンピュータの性能の向上に対応しで計算を高速で行えるようになっています。

3. ポスト処理部分

解析結果を３Dモデルなどで可視化することで、より直感的に解析結果を理解することができます。解析機能は製品によって特長が分かれる部分です。

計算結果から圧力や温度の分布を色の違いで示したコンター図や流れの様子を矢印で示したベクトル図、線で表した流線図などを作成します。

流体解析ソフトの種類

図3. 流体解析の種類

まず流体の表現方法として、空間を離散化する方法があります。離散化の手法としては、有限要素法、有限体積法が有名です。一方、流体を粒子の集合体として表現する粒子法という手法も存在します。

このように様々なCAE特有の手法や技術・機能があるため、シミュレーションしようと思う現象に応じて、その都度最適な手法や条件を設定する必要があります。熱流体解析ソフトにもシンプルで扱いやすく設計されたものから、熱流体解析のプロが扱うような多機能なものが存在しています。

各社様々ですが、おおよその目安として以下の点で違いがでることが多いです。

• 乱流モデルの数
• 混相流解析機能の有無
• 非ニュートン流体解析機能の有無
• 連成解析機能の有無 (構造解析など) 
• 圧縮性流体の扱い機能の有無　

そのほかライセンス体系にも違いがあります。使用目的と必要な機能を明確にして、最適なソフトを選定しましょう。

参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/kikaib1979/53/491/53_491_1869/_pdf/-char/ja
https://www.yokendo.com/books/9784842505268/
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jksna/2003/239/2003_239_239_81/_pdf