建築物の風荷重解析 — トラブルシューティングガイド

症状: 入口で設定した風速プロファイルが建物到達前に変化してしまう

原因: k-epsilonモデルの壁関数と入口条件の不整合、または地面粗度の不適切な設定

対策:

• Richards-Hoxeyの整合条件を使用: $k$, $\varepsilon$ のプロファイルが平衡状態を満たすように設定
• 地面の壁関数に対応する粗度長$z_0$をKs（等価砂粗さ）に変換: $K_s = \frac{9.793 z_0}{C_s}$（$C_s$はFluent粗度定数、デフォルト0.5）
• 入口から建物まで十分な距離（5H以上）を確保

そうだ。FluentとOpenFOAMで粗度パラメータの定義が異なるから注意が必要だ。OpenFOAMではatmBoundaryLayer系の境界条件を使えば$z_0$を直接指定できる。

症状: 地上1.5mの風速がCFDで過大または過小

対策:

• 地面と建物壁面のプリズム層を適切に設定（$y^+ \approx 30$--300で壁関数使用、または$y^+ < 1$で壁面解像）
• 歩行者高さに最低3層のセルを確保
• 街路樹や低層構造物のモデル化を検討（多孔体モデルで代替可能）
• 風向の微小な変化で結果が大きく変わる場合があるため、前後2風向の感度を確認

症状: 定常RANSで対称建物の後方渦が片側に偏る

原因: メッシュの微小な非対称性がトリガーとなり、双安定状態の一方に収束

対策:

• 対称面を利用した半分モデルで計算（ただし非対称渦放出は捉えられない）
• 非定常解析に切り替えて時間平均を取る
• メッシュを厳密に対称化する

症状: LESで壁面近傍にスパイク状の速度/圧力が発生

対策:

• 壁面近傍の格子がLESの解像要件を満たしているか確認（$\Delta x^+ < 50$, $\Delta z^+ < 20$）
• サブグリッドスケールモデルの選択を見直す（動的Smagorinskyが推奨）
• 時間刻みがCFL < 1を満たしているか確認
• 入口の乱流生成法を確認（Vortex Method、Digital Filter等）

建築CFDの品質保証チェックリスト:

• 計算領域の閉塞率は3%以下か
• 入口プロファイルは建物位置で維持されているか（空走テスト実施）
• メッシュ収束性は3水準で確認したか
• AIJベンチマーク（単体角柱等）で検証済みか
• 結果は物理的に妥当か（ビル谷間の増速率1.5--2.0倍程度）
• 16風向の計算は完了しているか
• アメダスデータの統計期間は10年以上か

建物を置かずに空の計算領域で計算し、入口から出口まで境界層プロファイルが維持されるかを確認するテストだ。プロファイルの変化が5%以内であれば入口条件の設定は適切と判断できる。建築CFDでは必須の検証ステップだよ。