円柱周りの流れ — トラブルシューティングガイド

実務で頻出するトラブルを整理しよう。

原因と対策:

• 1次精度風上スキームを使っている → 数値拡散が渦を消す。最低2次精度に変更
• 計算領域が狭すぎる → ブロッケージ効果で実効Reが変わる。側面を $10D$ 以上離す
• 初期条件が対称 → 対称性が破れない。微小な非対称擾乱を初期条件に加える
• 定常ソルバーを使っている → 非定常ソルバー（PISO/PIMPLE）に切り替える
• 時間刻みが大きすぎる → CFL < 1 を確認。1渦放出周期あたり200ステップ以上

実際の流れには必ず微小な擾乱がある。数値計算ではそれがないため、不安定でも分岐が起きないことがある。$y$方向速度に $O(10^{-3})$ 程度のランダムノイズを加えれば十分だ。

確認ポイント:

• 時間平均の統計が十分か → 初期過渡（最低20周期）を捨ててから統計を取る
• メッシュ解像度 → 後流域のメッシュが粗いと渦が早く散逸して周波数が変わる
• ブロッケージ効果 → 計算領域が狭いとStが高くなる。Behr et al. の補正式がある
• FFTの窓関数 → 十分長い時間データでFFTを取る。ゼロパディングで周波数分解能を確保

Re=100 で $C_D > 1.4$ なら以下を確認だ。

• 2D計算で3D実験値と比較していないか: 2D計算の $C_D$ は3D実験値より $5\text{--}10\%$ 高い。これは物理的に正しい（3D効果が抗力を下げる）
• 壁面メッシュの解像度: 壁面圧力分布が正しく解像できているか確認
• 出口境界の影響: 出口が近すぎると背圧が変わり $C_D$ に影響

症状別の対策:

スパン方向の計算長さが不足しているか、スパン方向のメッシュが粗すぎる可能性がある。Mode A を捉えるには $L_z > 4D$、Mode B を捉えるには $\Delta z < 0.5D$ が必要だ。また、スパン方向端面は必ず周期境界条件にすること。壁面条件にすると端部効果が支配的になる。

その通り。まず2D・低Reで $C_D$, St を検証 → 3D低Reで Mode A/B を確認 → 目標Reに段階的に上げる、というのが最も確実なアプローチだ。