【流体解析】精度を左右する要素（初心者向け理解ポイントと解説）

モデル化

モデル化は、解析対象となる流体現象を数学的なモデルとして表現する工程です。この工程で精度が低いと、解析結果全体に誤差が生じてしまいます。

非線形解析の特徴

解析対象となる形状を3D CADデータなどで忠実に再現する必要があります。形状の誤差は、流体の流れや圧力分布などに直接影響を与えるため、解析結果の精度を大きく左右します。特に、複雑な形状や境界層付近は、誤差の影響を受けやすいため注意が必要です。

物理モデルの選択

解析対象となる流体の性質や挙動を表現する物理モデルを適切に選択する必要があります。例えば、粘性流体なのか非粘性流体なのか、熱伝達を考慮するのか否かなど、解析目的に合った物理モデルを選択しないと、正しい結果が得られません。

境界条件の設定

解析対象となる流体の流入・流出条件や壁面の状態などを設定する境界条件も、解析精度に影響を与えます。実際の現象を反映した適切な境界条件を設定しないと、解析結果が現実と乖離してしまう可能性があります。

メッシュ

メッシュは、解析対象となる空間を小さな格子状の要素に分割したものです。メッシュのサイズや形状が適切でないと、流体の挙動を正確に捕捉できず、解析精度が低下します。

メッシュサイズ

メッシュサイズが大きすぎると、流体の細かい動きを表現できず、解析精度が低下します。一方、メッシュサイズを小さくしすぎると、計算量が増大し、処理時間が長くなります。適切なメッシュサイズは、解析対象となる流体の性質や現象の複雑さによって異なります。

メッシュ形状

メッシュ形状も、解析精度に影響を与えます。特に、複雑な形状の解析では、適切なメッシュ形状を選択することが重要です。

構造物に対しては、流体解析に影響がないような形状は簡略化しCAD形状を修正するなど工夫が必要です。境界層付近では、粘性の影響を考慮して、壁面形状に沿った境界層メッシュを作成する必要があります。

数値計算

数値計算は、流体の支配式を数値的に解くための計算方法です。離散化スキームや時間刻みなどの設定が適切でないと、計算誤差が発生し、解析精度が低下します。

離散化スキーム

流体の支配式を数値的に解くための離散化スキームは、様々な種類があります。それぞれの特徴を理解し、解析目的に合った離散化スキームを選択する必要があります。例えば、精度と計算量のバランスが良いスキームや、複雑な流体現象を解析できるスキームなどがあります。

時間刻み

時間変化する流体現象を解析する場合には、時間刻みと呼ばれる時間間隔を設定する必要があります。時間刻みが大きすぎると、時間変化を正確に捕捉できず、解析精度が低下します。一方、時間刻みを小さくしすぎると、計算量が増大し、処理時間が長くなります。適切な時間刻みは、解析対象となる流体の性質や現象の速さに応じて異なります。

その他

上記以外にも、流体解析の精度に影響を与える要素は様々です。

• 計算機の性能: 解析対象となる問題の複雑さに応じて、十分な性能を持つ計算機を使用する必要があります。計算機の性能が不足していると、処理時間が長くなり、解析精度が低下する可能性があります。
• 解析者の経験: 流体解析は、専門的な知識と経験が必要な分野です。解析者の経験不足は、解析精度を低下させる原因となります。

まとめ

流体解析の精度は、様々な要素によって影響を受けます。より高精度な流体解析を行うためには、これらの要素を理解し、適切な対策を講じることが大切です。