「流体解析で圧縮性と非圧縮性はどう違うの?」「温度変化や流速によって解析結果はどれくらい変わるの?」
そう思う方もいるかもしれません。
実は、流体解析において圧縮性と非圧縮性の選択は解析精度に大きく影響し、マッハ数0.3を目安に 密度変化の影響が無視できなくなります。適切な物性設定を行わなければ、実際の現象を正しく再現できません。 この記事では、流体解析における圧縮性と非圧縮性の基本的な違い、温度変化や流速による密度変化の影響、そして具体的な解析事例を通じた使い分けのポイントを解説します。
実は、流体解析において圧縮性と非圧縮性の選択は解析精度に大きく影響し、マッハ数0.3を目安に 密度変化の影響が無視できなくなります。適切な物性設定を行わなければ、実際の現象を正しく再現できません。 この記事では、流体解析における圧縮性と非圧縮性の基本的な違い、温度変化や流速による密度変化の影響、そして具体的な解析事例を通じた使い分けのポイントを解説します。
流体解析における物性値の重要性
流体解析に限らずCAE解析を実施する場合、物性値は重要な要素です。
基本的に流体解析ではマッハ数が0.3より大きい流れの場合、圧縮性流体で解く必要があると言われています。 また、自然対流などの温度変化を伴う流体の動きを解析する場合も圧縮性が必要とされています。それは、密度変化の影響が無視できなくなるからなのですが、その影響がどのように現れるかを比較することはあまりないかと思います。 今回、流速や温度の影響を考え圧縮性で解くか非圧縮性で解くかで現象がどのように異なるのか、事例を紹介しつつ説明させていただきます。
基本的に流体解析ではマッハ数が0.3より大きい流れの場合、圧縮性流体で解く必要があると言われています。 また、自然対流などの温度変化を伴う流体の動きを解析する場合も圧縮性が必要とされています。それは、密度変化の影響が無視できなくなるからなのですが、その影響がどのように現れるかを比較することはあまりないかと思います。 今回、流速や温度の影響を考え圧縮性で解くか非圧縮性で解くかで現象がどのように異なるのか、事例を紹介しつつ説明させていただきます。
温度変化による解析事例:
キャビティ内の自然対流
まずは温度変化による解析の事例です。
図に示したものはキャビティ内で対向する壁面の温度が異なる場合の現象です。 左側が圧縮性、右側が非圧縮性で解析したときの結果です。上側に温度分布、下側に流速の分布を示しています。
圧縮性で解析した場合、温度の高い壁面では上昇気流、低い壁面では下降気流となりキャビティ内で対流が起こっています。
一方、非圧縮性の場合、流れは発生せず温度も高い壁面から低い壁面への方向に一次的な分布になっています。
なお、温度差が小さい場合、圧縮性を使用せずに解く方法もありますが、別の機会でお話をさせていただきたいと思います。
図に示したものはキャビティ内で対向する壁面の温度が異なる場合の現象です。 左側が圧縮性、右側が非圧縮性で解析したときの結果です。上側に温度分布、下側に流速の分布を示しています。
圧縮性で解析した場合、温度の高い壁面では上昇気流、低い壁面では下降気流となりキャビティ内で対流が起こっています。
一方、非圧縮性の場合、流れは発生せず温度も高い壁面から低い壁面への方向に一次的な分布になっています。
なお、温度差が小さい場合、圧縮性を使用せずに解く方法もありますが、別の機会でお話をさせていただきたいと思います。
高速流れの解析事例1:
ラバルノズル
次に、ラバルノズルというノズルの事例を示します。
図は流速の分布ですが、ノズルの絞られているところでは同じような流速になっています。 ノズル後部から噴出部にかけて圧縮性では流速が速くなっていることがわかります。 これは、流体が膨張することにより加速がかかる現象を捉えています。一方、非圧縮性ではノズル後部の流路が広がる部分で流速が遅くなっていきます。 なお、流入量はノズルの絞り面の流速が同程度となるように調整したため、一致はしておりません。
図は流速の分布ですが、ノズルの絞られているところでは同じような流速になっています。 ノズル後部から噴出部にかけて圧縮性では流速が速くなっていることがわかります。 これは、流体が膨張することにより加速がかかる現象を捉えています。一方、非圧縮性ではノズル後部の流路が広がる部分で流速が遅くなっていきます。 なお、流入量はノズルの絞り面の流速が同程度となるように調整したため、一致はしておりません。
高速流れの解析事例2:
くさび型翼形状
図は、くさび型の翼形状の事例です。
左側からマッハ1を超える流速で流れている状況ですが、翼の後部で圧縮性では流速が上がっています。 この時衝撃波と言われるものが発生しているのですが、詳細は別の機会にさせていただきます。 一方、非圧縮性では翼の側面の中心あたりで流速が上がり、後部では遅くなっています。
これも、ラバルノズルの場合と同様に、流体の膨張によって流速が上がる現象を圧縮性では捉えられていて、非圧縮性では捉えられないことによるものです。
左側からマッハ1を超える流速で流れている状況ですが、翼の後部で圧縮性では流速が上がっています。 この時衝撃波と言われるものが発生しているのですが、詳細は別の機会にさせていただきます。 一方、非圧縮性では翼の側面の中心あたりで流速が上がり、後部では遅くなっています。
これも、ラバルノズルの場合と同様に、流体の膨張によって流速が上がる現象を圧縮性では捉えられていて、非圧縮性では捉えられないことによるものです。
圧縮性領域における非圧縮性解析の
可能性
少々極端な事例でしたが、圧縮性で解く必要のある領域を非圧縮性で解析した場合にどのような結果が得られるかが分かっていただけたかと思います。
なお、図に示したのは単純な円管内を圧縮性と非圧縮性で解いた場合の比較ですが、流入流速としては150m/sでマッハ数0.44の圧縮性で解析する領域です。 結果は、圧縮性のほうが少し流速が高い程度になります。
この違いは人によって、また評価したいものによって意見が分かれるかもしれませんが、圧縮性の領域でも非圧縮で解いても問題ない場合もあり、その場合は非圧縮性で解いたほうが計算コストは低くなります。
なお、図に示したのは単純な円管内を圧縮性と非圧縮性で解いた場合の比較ですが、流入流速としては150m/sでマッハ数0.44の圧縮性で解析する領域です。 結果は、圧縮性のほうが少し流速が高い程度になります。
この違いは人によって、また評価したいものによって意見が分かれるかもしれませんが、圧縮性の領域でも非圧縮で解いても問題ない場合もあり、その場合は非圧縮性で解いたほうが計算コストは低くなります。
まとめ
本記事では、流体解析における圧縮性と非圧縮性の違いについて、具体的な解析事例を通じて解説しました。
温度変化を伴う自然対流では、圧縮性解析で密度変化による対流を正確に捉えることができます。 一方、非圧縮性では流れが発生しない結果となり、実際の現象を再現できません。 高速流れにおいても、ラバルノズルやくさび型翼の事例で示したように、流体の膨張・圧縮による流速変化を圧縮性解析では捉えられますが、非圧縮性では表現できません。 ただし、マッハ数0.44程度の円管流れのように、圧縮性領域であっても条件によっては非圧縮性解析で十分な精度が得られる場合もあります。計算コストとのバランスを考慮して、適切に使い分けることが重要です。
流体解析を実施する際は、解析対象の流速、温度変化、形状変化などを考慮し、圧縮性と非圧縮性のどちらで解くべきかを適切に判断しましょう。
温度変化を伴う自然対流では、圧縮性解析で密度変化による対流を正確に捉えることができます。 一方、非圧縮性では流れが発生しない結果となり、実際の現象を再現できません。 高速流れにおいても、ラバルノズルやくさび型翼の事例で示したように、流体の膨張・圧縮による流速変化を圧縮性解析では捉えられますが、非圧縮性では表現できません。 ただし、マッハ数0.44程度の円管流れのように、圧縮性領域であっても条件によっては非圧縮性解析で十分な精度が得られる場合もあります。計算コストとのバランスを考慮して、適切に使い分けることが重要です。
流体解析を実施する際は、解析対象の流速、温度変化、形状変化などを考慮し、圧縮性と非圧縮性のどちらで解くべきかを適切に判断しましょう。