ノズル流れ — 商用ツール比較と選定ガイド

ノズル流れは圧縮性CFDの典型問題だから、主要な商用・OSSツールは全て対応している。ただし機能の充実度には差がある。

Chemical Equilibrium with Applications。燃焼室条件（燃料・酸化剤の種類と混合比）を入力すると、化学平衡状態のガス組成と熱力学特性を計算してくれる。ロケットノズルの入口条件を決める際の必須ツールで、Webインターフェースが無料公開されている。

基本設定はこうなる。

• ソルバー: Density-Based, Steady
• 空間離散化: 2nd Order Upwind（初期収束が難しければ1st Orderでスタート）
• フラックスタイプ: Roe-FDS（衝撃波をシャープに捕獲）
• 気体モデル: Ideal Gas（冷態流）/ Real Gas Property Table（高温ガス）
• 乱流: SST k-omegaモデル（壁面近傍の精度重視）
• 入口BC: Pressure-Inlet（$p_0$, $T_0$ 指定）
• 出口BC: Pressure-Outlet（背圧指定。超音速出口ではSupersonic/Initial Gauge Pressureを設定）

そう。全出口面が超音速なら全変数が内部から外挿されるので背圧は無視される。ただし起動過程の過渡計算や部分的に亜音速になる場合は背圧が効くから注意が必要だ。

rhoCentralFoamが最適だ。KNP（Kurganov-Noelle-Petrova）スキームベースの密度ベースソルバーで、衝撃波を含むノズル流れを安定に計算できる。設定例を示そう。

• thermophysicalProperties: hePsiThermo + perfectGas
• fvSchemes: localEuler ddt（定常）、vanLeer div（2次精度TVD）
• fvSolution: smoothSolver + GaussSeidel
• 0/: p, T, U の初期条件と境界条件

BoundaryConditions:

• inlet: totalPressure + totalTemperature
• outlet: waveTransmissive（非反射境界）
• walls: zeroGradient（断熱壁）

特性線に基づく非反射境界条件で、波が計算領域から出ていくのを妨げない。ノズル出口に人工的な反射波を作らないために重要だ。