DEM-CFD連成 — トラブルシューティングガイド
問題解決のヒント
トラブルシューティング
DEM-CFD連成でよくあるトラブルを教えてください。
順番に見ていこう。
1. 粒子がメッシュを突き抜ける
症状: 粒子が壁面やCFDドメインの外に出てしまう。
対策:
- DEMタイムステップが大きすぎる。Rayleigh時間の20%以下に設定
- 壁面のDEM境界がCFDメッシュと一致していることを確認
- 接触力のばね定数が適切か確認
2. 圧力損失が実験と合わない
流動層の圧力損失がずれる場合はどうすればいいですか？
対策:
- 抗力モデルの選択を見直す（Gidaspow vs. Koch-Hill）
- CFDセルサイズが粒子径の3〜5倍であることを確認
- ボイド率計算のスムージング方法を変更
- 粒子充填率が実験と一致しているか確認
3. 計算が異常に遅い
原因と対策:
- DEMタイムステップが小さすぎる: ヤング率を低減（$10^7$〜$10^8$ Pa）
- 粒子数が多すぎる: coarse-graining法を適用
- 負荷分散: DEMとCFDで異なる並列分割戦略を使い、各コアの負荷を均等化
4. 粒子が不自然に凝集する
症状: 粒子が固まったまま動かない。
対策:
- 摩擦係数が高すぎないか確認（静摩擦 < 0.5が一般的）
- 転がり摩擦が過大でないか確認
- 粘着力モデル（JKR等）が意図せず有効になっていないか確認
5. ツール固有の注意点
| ツール | 注意点 |
|---|---|
| EDEM + Fluent | 連成時間間隔がCFDタイムステップと一致していることを確認 |
| Rocky DEM | GPU計算時のメモリ制限に注意（粒子数×属性データ） |
| CFDEMcoupling | ボイド率平滑化の半径パラメータ（voidfractionModel）が解に影響 |
| Fluent DEM | ネイティブDEMの粒子形状は球形のみ（非球形はUDF必要） |
Coffee Break よもやま話
レイノルズの実験（1883年）——乱流発見の瞬間
オズボーン・レイノルズは、管内の水にインクを流す実験で「層流から乱流への遷移」を発見しました。流速を上げていくと、インクの線がある瞬間にグチャグチャに乱れる。この劇的な瞬間を、レイノルズは数学的に $Re = \rho uD/\mu$ という無次元数で表現した。100年以上経った今も、CFDエンジニアが最初に確認するのはこのレイノルズ数です。
トラブル解決の考え方
デバッグのイメージ
CFDのデバッグは「水道管の詰まり修理」に似ている。まず「どこで詰まっているか」（どの残差が下がらないか）を特定し、次に「何が詰まっているか」（メッシュ品質？境界条件？乱流モデル？）を調べ、最後に「どう直すか」（メッシュ修正？緩和係数？）を判断する。
「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——DEM-CFD連成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
CFDメッシュの品質管理や乱流モデルの選定に悩む時間を、もっと創造的な設計作業に使えたら。 — Project NovaSolverはそんな実務者の声から生まれました。
CAEの未来を、実務者と共に考える
Project NovaSolverは、DEM-CFD連成における実務課題の本質に向き合い、エンジニアリングの現場を支える道具づくりを目指す研究開発プロジェクトです。
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