CFDシミュレーションの13の必須アプリケーション：航空宇宙、HVAC、エレクトロニクスで性能向上

計算流体力学（CFD）は、流体の流れ（速度、密度、化学組成など）の問題を解決するためにデータ構造を使用する科学です。

この技術は、キャビテーション防止、航空宇宙エンジニアリング、HVACエンジニアリング、エレクトロニクス製造など、さまざまな分野で使用されています。

以下は、今日使用されている最も一般的なCFDシミュレーションアプリケーションのリストです。

1. キャビテーション防止のためのCFDシミュレーション

キャビテーションは、液体内で蒸気泡が形成される現象で、プロペラなどの物体が液体中を移動するときに発生します。キャビテーションはプロペラ、ノズル、タービン、堰、バルブに損傷を与える可能性があります。

キャビテーションは、幅広いエンジニアリングドメインに影響を与える重要な流体力学問題です。

最大の問題は？

物理的ストレステスト中にコンポーネントへのキャビテーション損傷を検出するのは非常に困難です。なぜなら損傷は漸進的で、臨界閾値に達するまで明らかな影響が現れないからです。

例えば、プロペラへのキャビテーション損傷を測定する方法の一つは、振動と騒音を測定する計器を使用することです。しかし、ほとんどの計器はこのタイプの損傷を正確に測定するほど十分に感度が高くありません。

しかし、CFDによるキャビテーションシミュレーションでは、物理世界では測定困難な微小な閾値をエンジニアが設定できます。非常に粒度の細かいレベルで測定し、代替製品と設計を比較して、プロジェクトの柔軟性、耐久性、安全性を向上させられます。

2. CFDを使用した回転機械のシミュレーション

コンプレッサー、蒸気ポンプ、ガスタービン、ターボエキスパンダーなどの回転機械には共通点があります：構造に作用する周期的荷重です。

ラビリンスシールは、さまざまなタイプの回転機械で漏れ流量を減らすために使用されます。シールを通過するガスは、不安定なロータ振動を引き起こす駆動力を生み出すことがあります。

ここで不可欠なのは、不安定性を生む動的ロータ力を特定できることです。

再び、継続的なプロトタイピングと物理的ストレステストに投資する代わりに、CFDシミュレーションを使用してさまざまな設計変数をテストし、回転機械の最も理想的な構造を見つけられます。

3. 層流と乱流のCFDシミュレーション

乱流は、空気、水、またはその他の液体の突然の激しい動きです。パイロットが直面する最も破壊的で予測不可能な気象現象の一つです。実際、極度の乱流では航空機パイロットが機体を制御不能になり、乗客に重傷を負わせる可能性さえあります。

CFDシミュレーションは乱流モデルを使用して、CAD設計された設計への乱流の影響を予測します。

乱流シミュレーションで最も一般的なモデルの一つは、ANSYSのGeneralized k-omega（GEKO）です。GEKOは、モデルの較正を維持しながら、ユーザーがシミュレーションの個々のパラメータを調整できるようにすることで、幅広いアプリケーションに乱流モデルを適合させるのに役立ちます。

4. 暖房、空調、換気（HVAC）へのCFDシミュレーション応用

日常生活の見過ごされがちな定着物であるにもかかわらず、私たちの家やオフィスに空気を送り調整するHVACシステムには、集中的なエンジニアリングと計画が必要です。

スペースの空気を効果的に調整し、部屋を通して空気を流し、高い室内空気品質（IAQ）を確保するためには、HVAC製品は流体力学の物理を活用しなければなりません。

HVACディフューザー、空気処理ユニット、FTUの作成には通常、それらが効果的に空気を循環・調整し、IAQ基準を満たせることを確認するための厳密なテストが必要です。

そのため、多くのHVAC機器メーカーは、新設計のプロトタイピングと検証を高速化するためにCFDシミュレーションに目を向けています。CFDシミュレーションにより、エンジニアはさまざまなスペース、さまざまな構成での製品の潜在的性能を分析できます。

5. CFDによるバッテリーシミュレーション

表面上、バッテリー設計プロセスは、空気の流れが製品の核心機能において明らかに重要な役割を果たす航空宇宙やHVAC設計とはほとんど共通点がないように見えます。

しかし、バッテリー設計は化学、電気、熱、流体工学など複数のエンジニアリングプラクティスを必要とする多職種プロセスです。そのため、CFDシミュレーションは（物理的テストにより少ない時間とリソースで）バッテリーの性能と安全性の最適化に重要な役割を果たせます。

SimuliaなどのCFDソフトウェアは、バッテリーメーカーが3Dで可視化し、急速放電、過度の周囲加熱、過充電に関連する問題を解決するのに役立ちます。これらはバッテリー寿命に影響するだけでなく、消費者の安全にも影響します。

6. CFDによる空力シミュレーション

空力学は、航空機や自動車などのオブジェクトの周りを空気がどう流れるかを研究する学問です。

これはおそらくCFDの最もよく知られた応用です。自動車設計者、航空宇宙エンジニア、スポーツ用品メーカーはすべて、シミュレーションソフトウェアを使用して空気の抵抗と摩擦を減らし、製品の効率を向上させています。

多くの物理的プロトタイプに投資せずに空力製品を設計できるだけでなく、シミュレーションによりエンジニアは設計への非常に小さな変更をテストし、性能を最大化できます。生産前に数十回、数百回とテストできます。

7. CFDにおける熱伝達と熱管理シミュレーション

熱伝達と熱管理は、熱が固体-流体設計（熱い液体を移送するパイプなど）をどう通過するかを測定し、熱伝導、対流、放射の原理を使用して設計を最適化する分野です。

熱管理は、適度な熱や冷気を必要とする設計の構造的完全性と安全性を確保するために不可欠です。また、熱や燃焼を動力とする設計の性能と効率を最適化するためにも使用できます。

ほとんどのプロフェッショナルCADソフトウェアパッケージ（SolidWorksなど）には、熱伝達モデルのシミュレーションに対するネイティブサポートがあります。

CFDシミュレーションは、自動車エンジン設計からコーヒーマシン設計まで、あらゆるものの熱伝達最適化に使用されます。また、このリストで言及された他の無数のシミュレーションタイプ（HVACなど）にも不可欠です。そこでは熱伝達が製品の核心機能の不可欠な構成要素です。

8. CFDによるパイプとバルブのシミュレーション

流体の流れはパイプとバルブに巨大な圧力をかける可能性があり、適切に考慮されないと臨界的な変形と故障につながります。

したがって、石油精製所、天然ガスパイプライン、住宅配管はすべて、安全性を達成し、高価な機器への長期的損傷を防ぐために流体の流れに対して最適化される必要があります。

CFDシミュレーションの台頭以前、この種の最適化には試行錯誤が必要でした。配管システムは推測見積もりで構築され、故障後に改良または修正されました。

CFDシミュレーションにより、エンジニアはパイプシステム全体の性能をモデル化したり、単一コンポーネント（バルブなど）を分離したりして、故障の可能性を減らせます。CFDシミュレーションは、事後的に老朽化インフラの故障を調査するためにも使用でき、エンジニアにより正確な状況把握を提供します。

9. CFDによるエレクトロニクス冷却シミュレーション

現在使用されているすべてのエレクトロニクスは、何らかの形の熱管理（ヒートシンク、通気口、ファン、熱コンポーネント、またはそれらの組み合わせ）を必要とします。これはGPUやCPUなどのチップが過熱すると誤動作し始めるためです。これらのコンポーネントは性能を維持するために比較的涼しく保たれる必要があります（通常85°C未満）。

広範なシミュレーションやテストなしでは、エレクトロニクスメーカーは頻繁に過熱による故障製品（携帯電話、おもちゃ、コンピュータチップなど）を市場にリリースすることになります。

CFDシミュレーションを使用して、コンポーネント（ヒートシンク、ファンなど）の最も理想的な配置をテストし、整理し、感度の高いチップが過熱しないようにできます。

10. ターボ機械CFDシミュレーション

ターボ機械は、ローターから流体（コンプレッサーやタービンなど）にエネルギーを伝達する機械を記述する機械工学概念です。

航空機ジェットエンジンはターボ機械の一般的な例で、排気ガスから推力を生み出すガスタービンです。

CFDソフトウェアは、プリプロセシング、モデリング、メッシングからポストプロセシングまで、ターボ機械の設計と最適化に広く使用されています。

11. 高レオロジー材料CFDシミュレーション

高レオロジー材料は、力と応力が加わると液体のように振る舞う固体です。このような材料の例には：

• プラスチック
• ポリマー
• ガラス
• 金属
• セメント

ブロー成形、熱成形、押出などの技術を使用して、メーカーはこれらの固体を最終製品に成形できます。

CFDシミュレーションの適用により、メーカーはレオロジー材料設計プロセスを加速し、エネルギーと原材料需要を最小化できます。製造ダイの形状変更、余分な材料の削減、レオロジカル設計の迅速なプロトタイピングにより、コスト削減を特定できます。

12. CFDによる反応流と燃焼のシミュレーション

化学反応性のある流れる流体（燃焼エンジンの場合など）は、シミュレーションでは「反応流」と呼ばれます。

これらのタイプの流れは、エンジニアにとって難しい物理問題を表します。

化学ベンチスケール（ミリメートル）での反応性流体の挙動を予測することは一つのことですが、乱流を考慮に入れながら溶液レベル（立方リットル）でそれを行うことは非常に困難です。

しかし、これは重要な問題です。

反応流の基盤となる化学と物理を理解できることは、自動車、航空宇宙、エネルギー分野におけるエネルギー効率、燃料柔軟性、排出削減の向上に不可欠です。

ここはCFDシミュレーションが得意とする分野です。複雑なマルチフィジックス問題である反応流を処理でき、手動で計算するのはほぼ不可能な製品に関する洞察をメーカーに提供します。高価な物理的テストを必要とせずに。

13. CFDシミュレーションによる非圧縮性と圧縮性流れ

圧縮性流れとは、密度が一定でない流体の流れを指します。

つまり、圧力変化で密度を圧縮または膨張できる酸素のような流体は、圧縮性流れを持ちます。

非圧縮性流れとは、圧力に関わらず密度変化が無視できる流体を指します。

パイプを流れる水は非圧縮性流れを持ちます。圧力が密度に無限小の影響しか与えないためです。

両タイプの流れは、メーカーとエンジニアに独自の課題を提示します。空力学に取り組むエンジニアは、異なる速度で移動するオブジェクトを考慮に入れて、酸素の圧縮性を分析に組み込む必要があります。逆に、非圧縮性流体を扱う業界は、激しく強力でカオスな乱流を計算に考慮しなければなりません。

航空宇宙のケースでは、両タイプの計算を単一の分析で組み合わせる必要がある場合があり、テストと計画が信じられないほど複雑になる可能性があります。

これが、CFDシミュレーションが多くの現代メーカーにとって絶対的な必要性である理由です。SimScaleのようなソフトウェアでは、異なる流体に固有の特性を割り当てることで、非圧縮性と圧縮性流れを1つのシミュレーションで分析できます。

まとめ

シミュレーションの登場以前、世界の多くの実用的な物理問題は、高価で時間のかかる物理的テストで解決されていました。厳密なテストを怠った企業は、長期的には製品故障とリコール（および評判の損害）でかなりの代償を払いました。

しかし、シミュレーションモデリングの登場により、すべての業界のエンジニアと設計者は、仮想的にあらゆる条件下で製品をテストする安価な方法にアクセスできるようになりました。

特に計算流体力学は、流体の流れ、乱流、熱伝達が重要な計算となる製品の設計をテストし改善することをエンジニアに可能にします。

しかし、テストは方程式の一部に過ぎません。

CFD解析で指摘された問題を修正するためにCAD設計を迅速かつ効率的に更新できることは、依然として設計者にとって問題です。多くの場合、大量の手動再作業を必要とします。

シミュレーションアプリケーションがより使いやすくなることで、業界全体でのシミュレーションの大規模採用を可能にする必要があります。

CADとシミュレーションを扱う設計者やエンジニアなら、シミュレーション出力に基づいて製品を再設計するのに必要な作業量をよくご存知でしょう。ほとんどのCFDソフトウェアはCADモデルを更新しません。代わりに、モデルを最適化するために必要な変形を示す「ベクトル場」を提供します。設計を手動で変更するのは設計者の責任です。

この手動再設計プロセスは、SpatialのBRepモーフィングツールセットを使用して自動化できます。ベクトル変形場（前後のポイントセット）が与えられれば、このツールセットで任意のBRepジオメトリを自動的にモーフィングできます。これにより、エンジニアはシミュレーション結果を設計に容易に取り込めます。