球周りの流れ — トラブルシューティングガイド

原因: Re > 210 でも軸対称解が出てしまう場合、メッシュの対称性が厳密すぎるか、初期条件が完全に軸対称だ。

対策: フル3D計算に切り替え、微小な非対称擾乱を初期条件に加える。もしくはwedge（2D軸対称）メッシュで計算している場合は、フル360度メッシュに変更する。

確認ポイント:

• 計算領域のサイズ: 低Re数では Stokes 流れの影響範囲が広い。外部境界が球から $100D$ 以上離れていないと、境界の影響で $C_D$ がずれる
• 入口・側面条件: 一様流入口が近すぎると球の上流にまで影響が及ぶ（Stokes流の影響は $1/r$ で減衰するため極めて遠くまで到達する）
• Oseen 補正: Re = 0.1 でもStokes解からの偏差は数%ある。$C_D = (24/Re)(1 + 3Re/16) = 240.45$ であり、$C_D = 240$ とは $0.2\%$ 異なる

RANS の SST $k$-$\omega$ では、乱流モデルの仮定により境界層は最初から乱流として計算される。そのため、層流剥離→遷移→乱流再付着というプロセスが再現されず、抗力危機が起こらない。

対策: $\gamma$-$Re_\theta$ 遷移モデルを有効にする。Fluent なら Models → Viscous → Transition SST (4-equation) を選択。

確認ポイント:

高Re数の LES で中心差分スキームを使うと、格子Reynolds数が大きい領域で振動・発散することがある。

対策:

• 混合スキーム（中心差分 + 少量の風上）を使用。Fluent の Bounded Central Differencing がこの方式
• SGS モデルの拡散を利用。Dynamic Smagorinsky は局所的に拡散を適応的に調整する
• メッシュを細かくして格子Reynolds数を下げる（根本的だが高コスト）

その通り。そして低Reの検証済みケースから始めて、段階的にRe数を上げていくのが最も確実だ。Re=100 で $C_D = 1.09$、$L_w/D = 1.7$ が出ることを確認してから進むべきだ。