数値流体力学（CFD）を理解する

数値流体力学（CFDと略されることが多い）は、さまざまな業界やアプリケーションで使用されています。

SoC（System on a Chip）を適切に機能するのに十分なクールさを保つための効率的なエンジニアリング方法から、レースカーがさらに数秒時間を短縮できるようにする方法まで、計算流体力学はシミュレーションと最適化のための強力なツールです。

図1。 CFDは、航空宇宙や自動車の設計に関連していることがよくありますが、電気モーター、ロボット工学、バッテリー、熱管理など、さまざまな業界に適用されます。シーメンスの好意により使用された画像

数値流体力学（CFD）とは何ですか？

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。数値的手法とアルゴリズムを活用して、流体の流れに関する問題を解決します。

この説明の一部として、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、空気などの気体も含まれます。 CFDは、流体の流れ、化学反応、相変化、熱および物質移動、および液体、気体、および固体がシステムを流れるときにそれらをシミュレートできます。

数値流体力学（CFD）の仕組み：基本

関係する主要な支配方程式は、連続の方程式（質量保存の法則）、ニュートンの第2法則（運動量の保存）、および熱力学の第1法則（エネルギーの保存）です。重要な変数は、密度、熱伝導率、エンタルピー、粘度に加えて、速度、圧力、絶対温度です。

図2。 流れシミュレーションは、流体粒子が固体、他の液体、および熱と相互作用するときの、システムを通る流体粒子の流れを示しています。オートデスクの厚意により使用された画像

CFDシミュレーションは、流動領域内のすべてのポイントでの速度、圧力、および温度を理解することを目的としています。

CFDモデリングの結果

CFDモデリングの結果を後処理して、流体の流れの速度（速度と方向）を表す流線、温度分布を示すマップ、単一の流体粒子の動きを示す粒子追跡（いくつか例を挙げると）を含む有益な視覚化を提供できます。 ）。

コンピューティング能力とグラフィックス機能の継続的な向上により、視覚化を3Dで操作し、魅力的な画像、ビデオ、アニメーションを生成して、ユーザーがデータを解釈し、技術者以外のユーザーと共有できるようにします。

最も広く使用されている計算流体力学モデルは何ですか？

CFDで最も広く使用されているモデルは、有限体積モデルの略であるFVMです。厳密に言えば、流体量を有限のコントロール量に分割する離散化手法です。これらの個々のコントロールボリュームは、ボリュームの重心にあるノードを中心にしています。

モデルの支配方程式の微分形式が統合され、重心間の対象の変数が補間プロファイルを使用して取得されます。結果として得られる方程式は、離散化または離散化方程式として知られています。 、次に、コントロールボリューム内の変数の保存原理を表します。

FVMは、その汎用性と、ソリューションがエネルギー、種、運動量、質量などの量の保存を満足させるため、非常に人気があります。個々のコントロールボリュームと計算ドメイン全体の両方で、保存は正確に満たされます。

図3。 CFDは、ミッションクリティカルなアプリケーションに使用されるモジュラーシャーシのこの例のように、電子機器の熱管理に幅広い用途があります。 ANSYSの厚意により使用された画像

CFDで使用できる他の方法には、通常、弾性波に関連する有限要素法（FEM）、および有限要素解析（FEA）があります。

FDMまたは有限-異なる方法もあります。この特定の方法は、FVMやFEMほどCFDに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に幅広く適用されています。

計算流体力学は何に使用されますか？

一般的な意味で、CFDは、高価なプロトタイプを製造する前に、流体の流れを含む設計を最適化、分析、および検証します。これらのプロトタイプでは、コストのかかる物理テストが実行されます。

一般的に、CFDは次の目的で使用できます：

• バッテリーシミュレーション
• 電気モーターの冷却
• レオロジー
• エネルギー効率
• 熱管理
• 流体と構造の相互作用
• 形状最適化
• 乱流モデリング
• HVAC
• タービンブレードの最適化
• 航空機/航空宇宙設計
• 自動車デザイン

より具体的には、CFDは次の目的で使用されています：

• SoCの効果的な熱管理の最適化
• バイオインスパイアード水中ロボットの移動を開発する
• ソフトロボットマニピュレータの設計
• 水冷式電気モーターのエンジニアリング
• 原油ファウリング伝熱面の研究
• 軍事通信用電子機器用の頑丈な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の最適化

さらに、CFDをFEAとともに使用して、流体、熱力学、熱、電気、磁気、および構造解析の間の複雑な相互作用をキャプチャできます。

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な特性に関する情報を提供します。オートデスクの厚意により使用された画像

計算流体力学ソフトウェア

市場には多種多様なCFDソフトウェアパッケージがあります。たとえば、ANSYS FluentとCFXは、よく知られている2つのCFDソフトウェアパッケージです。 PTC Creo Simulation、Siemens Simcenter STAR-CCM +、Flotherm、AutodeskCFDもあります。

ただし、すべてのCFDパッケージが商用であるとは限りません。OpenFOAMは、Linux、macOS、およびWindows 10で実行される無料のオープンソースCFDパッケージです。さらに、SimScaleなどのブラウザーベースのCFDシステムがあります。 OpenFOAM。 CFDソリューションデータに命を吹き込むCeetronデスクトップコンポーネントなどの強力な後処理ツールもあります。

適切に実行すると、流体の挙動と、流体が固体、熱、相変化、および化学反応とどのように相互作用するかを明らかにすることができます。 CFDはさまざまな業界で使用されており、設計の最適化を支援し、プロトタイピングと物理テストの時間と費用を節約します。ジェットエンジンやレースカーのボディの燃料ノズルから、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中に何度も貴重なものであることが証明されています。