変化のペースが加速の一途をたどる今日の環境では、変化に素早く対応して革新的な製品を市場に投入し、競争力を維持することが必須です。
CFDシミュレーション
CFDシミュレーションとは何か。
流体の動きと周囲環境との相互作用を予測する主な方法は、実験、解析、数値計算の3つです。数値流体力学 (CFD) は、定常または非定常の流体の動きをシミュレーションする数値的手法であり、演算手法とハードウェアを使用します。
CFDシミュレーションは、実験と解析に代わる、または実験を補完する手法として確立されたものであり、身の回りの製品の設計エンジニアリングと解析を支援します。CFDシミュレーションと試作・実験の違い
- コストを抑えられれる
- 完了までの時間が短い
- 実験しにくい現象を捉えられる
- 物理を深く理解できる
- 複数の設計案やシナリオの探索が容易
CFDシミュレーション
機械の基本的な法則が適用されるCFDシミュレーションは、流体力学の方程式を駆使し、物理的な問題を数学的にモデリングするものです。数式がモデリングされたら、CFDソフトウェアを実行して方程式を解き、演算リソースを投入して物理属性の概算解を導きます。
CFDシミュレーションでは、ナビエストークス法を使用して流体動作の温度、応力、速度、密度を表現します。その精度は、モデルの忠実度、近似値、前提条件、実験結果との比較検証、演算リソースにより左右されます。CFDシミュレーションの不完全性とエラーを解き明かし、それを設計と解析に活用することが重要です。
CFDシミュレーションの手順
すべてのCFDシミュレーションは、使用するソフトウェアにかかわらず、次の標準的な手順を辿ります。
- 前処理: 2D/3D形状の作成、CFDシミュレーション用の形状の準備、メッシュまたはグリッド生成 (より小さなボリューム / セルに分割) を行います。流れの条件、流体属性、物理法則、初期条件と境界条件などの可変条件は、この段階で数値モデルと数式に変換されます。
- ソルバー処理: CFDシミュレーションソフトウェアを実行し、CFDソルバーを使用して数式の解を繰り返し求めます。この手順には多くの時間と演算リソースを必要とします。複雑なシミュレーションの場合、コスト効果の高い選択肢としてクラウドコンピューティングを選ぶ企業が増えています。
- 後処理: ソルバー処理の後、レポート、測定モニター、プロット図、2D/3D画像やアニメーションなどによりシミュレーション結果を視覚化し、定性的および定量的に解析します。検証と結果の妥当性評価もこの段階で行います。
CFDの適用領域
CFDシミュレーションソフトウェアは、流体流れまたは熱移動を理解、予測し、製品やシステムの設計に与える影響を見極めるべきエンジニアリング領域に幅広く使用されます。CFDシミュレーションは産業用製品の設計分野で特に進化しており、現在は、複雑な形状のマルチフィジックス動作シミュレーションが可能なため、企業は製品設計案を仮想で理解、最適化してから物理試作に移行するようになってきました。
CFDシミュレーションを採用している業界の例
- 航空宇宙
- 自動車
- 化学
- コンシューマー製品
- 造船 / 洋上プラント (船舶、推進システム、エンジンの設計)
- エレクトロニクス
- エネルギー (原子力、石油、ガス、発電)
- 組み立てサービス
- ライフサイエンス
- ターボ機械
- スポーツ
- そのほか、流体流れと熱伝導を扱う汎用アプリケーション