計算流体力学（CFD）完全マスター：産業横断的な応用とインパクト

計算流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamicsの略）は、さまざまな産業と用途で使用されています。

SoC（システム・オン・チップ）を適切に機能させるために十分冷却する効率的な方法の設計から、レースカーのタイムをさらに数秒縮める支援まで、計算流体力学はシミュレーションと最適化の強力なツールであり続けています。

図1. CFDは航空宇宙と自動車設計に関連付けられがちだが、電気モーター、ロボティクス、バッテリー、熱管理などさまざまな産業に適用される。画像提供：Siemens

計算流体力学（CFD）とは？

CFDは、流体力学の原理に基づく数値シミュレーションおよびモデリングツールです。流体の流れに関する問題を解決するために、数値手法とアルゴリズムを活用します。

この説明の一環として、流体は液体に限定されないことを考慮することが重要です。流体には空気のような気体も含まれます。CFDは、流体の流れ、化学反応、相変化、熱と物質移動、そして液体、気体、固体がシステムを流れる際の挙動をシミュレートできます。

CFDの仕組み：基本原理

関連する主要な支配方程式は、連続の式（質量保存）、ニュートンの第二法則（運動量保存）、熱力学第一法則（エネルギー保存）です。主要変数は速度、圧力、絶対温度、さらに密度、熱伝導率、エンタルピー、粘性です。

図2. 流体粒子が固体、他の液体、熱と相互作用しながらシステムを流れる様子を示すフローシミュレーション。画像提供：Autodesk

CFDシミュレーションの目的は、流れ領域内のあらゆる点における速度、圧力、温度を理解することです。

CFDモデリングの結果

CFDモデリングの結果は後処理され、流体の流れの速度（速さと方向）を表す流線、温度分布を示すマップ、単一流体粒子の動きを示す粒子追跡など、有益な可視化を提供できます。

計算能力とグラフィック機能の継続的な向上により、可視化は3Dで操作可能になり、説得力のある画像、動画、アニメーションを生成して、ユーザーがデータを解釈し、非技術者と共有するのを支援します。

最も広く使用されているCFDモデルは？

CFDで最も広く使用されているモデルはFVM（有限体積法：Finite Volume Modelの略）です。厳密には、流体体積を有限の制御体積に分割する離散化手法です。これらの個々の制御体積は、体積の重心に位置するノードを中心としています。

モデルの支配方程式の微分形が積分され、中心間の注目変数が補間プロファイルを用いて得られます。その結果得られる方程式は「離散化方程式」と呼ばれ、制御体積内の変数に対する保存原理を表現します。

FVMはその汎用性と、エネルギー、物質、運動量、質量などの量の保存が解で満たされるため、非常に人気があります。保存は個々の制御体積と計算領域全体の両方で正確に満たされます。

図3. CFDは電子機器の熱管理に広く応用される。ミッションクリティカルなアプリケーションで使用されるモジュラーシャーシの例。画像提供：ANSYS

CFDで使用できる他の手法には、通常固体力学に関連付けられる有限要素法（FEM）と有限要素解析（FEA）があります。

また、FDM（有限差分法：Finite-Difference Method）もあります。この特定の手法はFVMやFEMほどCFDで広く使用されていませんが、気象計算、地震学、映画やテレビの特殊効果で広く応用されています。

計算流体力学は何に使われるか？

一般的に、CFDは高価な試作機が製造される前に、流体の流れを伴う設計を最適化、分析、検証します。それらの試作機では高価な物理テストが実施されます。

一般的に、CFDは以下の用途に使用できます：

• バッテリーシミュレーション
• 電気モーター冷却
• レオロジー（流動学）
• エネルギー効率
• 熱管理
• 流体構造相互作用
• 形状最適化
• 乱流モデリング
• HVAC（空調）
• タービンブレード最適化
• 航空機/航空宇宙設計
• 自動車設計

より具体的には、CFDは以下のように使用されています：

• SoCの効果的な熱管理の最適化
• 生物模倣型水中ロボットの移動機構開発
• ソフトロボットマニピュレーターの設計
• 水冷式電気モーターの設計
• 原油付着熱伝達面の研究
• 軍事通信電子機器用堅牢モジュラーシャーシの熱管理
• レースカーのパフォーマンス最適化

さらに、CFDはFEAと組み合わせて、流体、熱力学、熱、電気、磁気、構造解析の複雑な相互作用を捉えることができます。

図4. CFDはデータセンターのエネルギー効率を最適化し、温度を制御するために必要な冷却気流などの主要特性に関する情報を提供。画像提供：Autodesk

計算流体力学ソフトウェア

市場には幅広いCFDソフトウェアパッケージがあります。例えば、ANSYS FluentとCFXはよく知られたCFDソフトウェアパッケージです。他にもPTC Creo Simulation、Siemens Simcenter STAR-CCM+、Flotherm、Autodesk CFDなどがあります。

しかし、すべてのCFDパッケージが商用というわけではありません：OpenFOAMは、Linux、macOS、Windows 10で動作する無料のオープンソースCFDパッケージです。さらに、SimScaleのようなブラウザベースのCFDシステムもあり、これはOpenFOAMベースです。また、Ceetron Desktop Componentsのような強力なポストプロセッシングツールもあり、CFDソリューションデータに命を吹き込みます。

適切に実行されれば、流体の振る舞いや、固体、熱、相変化、化学反応との相互作用を明らかにできます。CFDは多くの異なる産業で使用され、設計の最適化と試作・物理テストの時間とコストの削減を支援しています。ジェットエンジンの燃料ノズルやレースカーのボディから、ソフトロボティクスやデータセンターの空冷システムまで、CFDはエンジニアリングプロセスにおいて何度もその価値を証明してきました。