流体解析（CFD）

流体解析でわかる4つのこと

流体解析とは、水や空気などの流れが「どこを・どれだけ・どんな力を伴って」流れるかを、流体力学の方程式にもとづいて予測する技術です。配管・ポンプ・車体・翼・河川——流れが関わる設計のほぼすべてで使われます。予測できることは大きく4つです。

流体解析の考え方 — 無次元数からCFDまで

① まずレイノルズ数 — 流れの「性格」を1つの数で知る

流体解析の第一歩は、流れが層流（整然）か乱流（かき混ざる）かの判定です。それを決めるのがレイノルズ数 Re = vD/ν。実際に計算してみましょう。内径 D = 25 mm の水道管を流速 v = 1 m/s で水（動粘性係数 ν = 1.0×10⁻⁶ m²/s）が流れるとき、Re = 1×0.025 ÷ 10⁻⁶ = 25,000。円管の乱流遷移のめやす（約2,300）を大きく超えるので、家庭の水道管の中はほぼ確実に乱流です。レイノルズ数計算機で流体・管径・流速を変えながら確かめられます。

② ベルヌーイの定理＋損失 — 管路計算の実務

エネルギー保存を流れに適用したのがベルヌーイの定理です。実際の配管では摩擦損失（ダルシー・ワイスバッハ式）と継手の局所損失を加えて、必要なポンプ揚程を見積もります。ベルヌーイ・管路流れ計算機と局所損失（K値法）で一連の流れを体験できます。

③ 境界層 — 壁の近くで起きていること

流体は壁面でくっつき（粘着条件）、壁近くに速度が急変する境界層ができます。抗力の大半も、はく離も、伝熱もこの薄い層で決まります。平板境界層シミュレーターで層流から乱流への成長を観察できます。

④ CFD（数値流体力学）— 複雑形状はコンピュータで

複雑な形状のまわりの流れは、ナビエ・ストークス方程式を有限体積法（FVM）で離散化して数値的に解きます。これがCFDです。商用CFD（ANSYS Fluent・STAR-CCM+など）に進む前に、ここで無次元数と管路計算の感覚を作っておくと、メッシュや乱流モデルの選択で迷わなくなります。

目的別 — 流体解析シミュレーターの選び方

流体ツール166種のうち、まず触るべき定番を目的別に挙げます。すべて無料・登録不要です。

管路・圧力損失

• ベルヌーイ・管路流れ — 管路計算の出発点
• ハーゲン・ポアズイユ流れ — 円管層流の厳密解
• ダルシー vs ファニング摩擦係数 — 混同しやすい2定義を整理
• 管継手の局所損失（K値法） — エルボ・弁の損失
• 管入口の助走距離 — 発達流れになるまでの長さ

無次元数・流れの基礎

• レイノルズ数計算機 — 層流/乱流の判定
• 平板境界層の成長 — 壁近くの速度分布
• 乱流境界層（1/7乗則） — 摩擦係数の見積り
• キャビテーション数 — 気泡発生の危険度

ポンプ・流体機械

• 遠心ポンプ特性曲線 — H-Q曲線の読み方
• ポンプ運転点 — システム曲線との交点で決まる
• ポンプ・ファン性能曲線 — 相似則とサイズ効果
• NPSH余裕評価 — キャビテーション回避の実務

外部流・抗力と揚力

• 抗力係数・空気抵抗 — Cdの意味と使い方
• 翼型揚力 — 迎え角と失速
• 終端速度 — 落下物はどこまで速くなるか
• 誘導抗力とL/D比 — 翼端渦の代償

圧縮性流れ・開水路

• マッハ数・圧縮性流れ — 音速の壁の物理
• ノズルの面積比とマッハ数 — ロケットノズルの原理
• マッハ円錐 — ソニックブームの幾何学
• 水跳び（跳水） — 開水路の急変現象

全166種は流体力学シミュレーター一覧から検索できます。物理シミュレーション全体の入門は物理シミュレーションとはへ。

よくある質問（実務・学習）

Q. 層流と乱流の境目はどこですか？

円管内流れではレイノルズ数がおよそ2,300を超えると乱流に遷移し始めます（条件により2,000〜4,000）。平板や物体まわりでは基準の取り方が変わるため、対象ごとの遷移レイノルズ数を確認してください。実用配管のほとんどは乱流域です。

Q. ここのツールと商用CFDは何が違いますか？

本サイトのツールは理論式・相関式ベースで、1次元〜2次元の代表問題を瞬時に解きます。3次元の複雑形状・非定常・混相流は商用CFDの領域です。CFDに入る前の感覚づくりと、CFD結果のオーダー検算に使うのが最も効果的です。

Q. ポンプ選定はどの順番で考えますか？

①必要流量を決める → ②配管の全損失水頭を計算（摩擦＋局所＋高低差）→ ③システム曲線を描く → ④ポンプのH-Q曲線との交点（運転点）が要求を満たすか確認 → ⑤NPSH余裕でキャビテーションを回避、の順です。この一連は上の「ポンプ・流体機械」のツール群でそのまま練習できます。