「流体解析でメッシュサイズを細かくすれば精度が上がるの?」「要素数を増やすと計算時間がどれくらい増えるのか不安...」「流速場や圧力場の結果は、どこまで細かくすれば十分なの?」
そう思う方もいるかもしれません。
実は、メッシュサイズを細かくしすぎても計算時間が増加するだけで、流速場・圧力場の評価値自体は変わらない収束点があるのです。
この記事では、円柱モデルを用いて、メッシュサイズを細かくした場合の流速場・圧力場の結果変化と計算時間の関係、そして最適なメッシュサイズの見極め方を紹介します。
解析空間を定義して計算モデルを作成しますが、メッシュサイズが細かいと計算時間が長くなり、メッシュサイズが粗いと妥当な計算結果が得られないという背反が見られます。今回はメッシュサイズを細かくしていくことによる計算結果の違いについて、円柱モデルを用いて確認してみましょう。
基準:カルマン渦が確認できる
メッシュサイズ
メッシュサイズがある程度細かいと流速場、圧力場ともにカルマン渦の様相が見られます。右図をカルマン渦が確認できる程度のメッシュサイズと仮定して、メッシュサイズを細かくすると、どのような影響が見られるかを確認してみます。
以下、このメッシュサイズにおける計算時間を100、この時円柱にかかる主流方向の平均荷重を100として相対的な計算時間、荷重を記載します。
ケース:8倍細かいメッシュサイズ
メッシュサイズを8倍程度細かくして解析をしてみました。円柱後部の流速分布の様相については、マクロ的な違いは見られませんが、細かい渦が見られ、カルマン渦の境目がはっきりしてきました。
左図ではメッシュラインも表示しているため、流れが見えづらいほどのメッシュの細かさになっています。この場合、計算時間は約253万程度、荷重としては約115でした。
メッシュラインなしでの比較
メッシュラインを表示せずに比較しました。右図の上側が基準、下側が8倍細かくした場合の比較ですが、上述のようにカルマン渦の様相はマクロでは変わっていません。
しかし、メッシュサイズを細かくした場合、小さい渦の様相まで見えており、渦の境界がはっきりしています。
重要な留意点:メッシュサイズと
計算時間・荷重の関係
留意点として、メッシュサイズを細かくすれば良いということではないことを左のグラフにて示します。
横軸はメッシュサイズを変えた場合の計算時間、縦軸は円柱にかかる主流方向の荷重を示しており、基準の値を100として相対値をプロットしました。
計算時間が100以下のところでは荷重が過小評価されており、100を超えたあたりから変化が小さくなっています。1000を超えてからは大きな差はありません。
メッシュサイズを細かくしすぎると計算時間が増加するのみで評価値自体は変わらずということがわかります。
