自然対流のCFD解析 — 収束困難と検証の実際
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定常計算が収束しない
自然対流の定常計算で残差が振動して収束しません。
自然対流では物理的に非定常な流れが発生することが多い。残差振動は「定常解が存在しない」ことを意味している場合がある。$Ra > 10^8$（密閉キャビティ）や $Ra > 10^9$（垂直平板）では非定常計算に切り替えるべきだ。
定常計算のまま収束させるテクニックはありますか？
(1) FluentのPseudo Transient設定を有効にする。(2) under-relaxation factorsを大幅に下げる（圧力0.2、運動量0.3程度）。(3) First Order Upwindで初期収束させてからSecond Orderに切り替える。ただしこれらは人工的に定常化しているだけなので、物理的妥当性の確認が必要だよ。
Nu数がde Vahl Davisのベンチマーク値と合わない
差分加熱キャビティで $Ra = 10^6$ のNu数がベンチマークの8.8ではなく6.5になります。
メッシュが粗すぎる可能性が高い。$Ra = 10^6$ では壁面近傍の境界層が非常に薄く、不均一メッシュでの壁面第一層が厚すぎると熱流束を過小評価する。壁面法線方向に最低20層、壁面第一層厚さが境界層の1/10以下になるようにメッシュを調整しよう。
メッシュを細かくしたら8.6になりました。まだ2%ずれています。
Second Order Upwindを使っているか確認。First Orderだと数値拡散でNu数が低く出る。また、Boussinesqモデルの参照温度 $T_0$ が高温壁と低温壁の平均温度に設定されているか確認。参照温度の不適切な設定はNu数に影響する。
輻射モデルを入れると結果が大きく変わる
輻射モデルを追加したらNu数が50%増加しました。妥当ですか？
壁面放射率（emissivity）の設定を確認しよう。金属光沢面なら $\varepsilon \approx 0.1$、塗装面なら $\varepsilon \approx 0.9$。デフォルトの $\varepsilon = 1.0$（完全黒体）のままだと輻射を過大評価する。実際の壁面材料に合わせて設定すべきだ。
実験と比較する場合、輻射は入れるべきですか？
実験データが対流成分のみのNu数を報告しているのか、輻射込みの全熱伝達を報告しているのかを確認する必要がある。多くの実験では輻射を分離できていないので、CFDでも輻射を含めて比較するのが妥当だ。
自然対流CFDが収束しない——浮力主導流れの典型的な罠
自然対流CFDは「収束が遅い」「残差が振動する」という悩みが絶えない。主因は浮力と流れの強い非線形結合にある。典型的な失敗例：①初期条件を静止状態（ゼロ速度）から始めると浮力で発生した流れが非現実的に大きくなり発散する——対策は緩和係数を0.1〜0.3程度に絞った段階的起動。②粗いメッシュで定常解析を試みる——自然対流は本質的に非定常な振動解の場合があり（Ra>10⁸で乱流移行）、定常仮定自体が成立しないことがある。③重力方向の設定ミス——ANSYSではデフォルト重力がゼロで、浮力が全く働かない設定になりがち。起動時のgベクトル設定は必ず確認しよう。
トラブル解決の考え方
「解析が合わない」と思ったら
- まず深呼吸——焦って設定をランダムに変えると、問題がさらに複雑になる
- 最小再現ケースを作る——自然対流のCFD解析の問題を最も単純な形で再現する。「引き算のデバッグ」が最も効率的
- 1つだけ変えて再実行——複数の変更を同時に行うと、何が効いたか分からなくなる。科学実験と同じ「対照実験」の原則
- 物理に立ち返る——計算結果が「重力に逆らって物が浮く」ような非物理的な結果なら、入力データの根本的な間違いを疑う
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