VOF法（Volume of Fluid） — トラブルシューティングガイド

順番に見ていこう。

症状: Floating point exception や残差が急激に増大して計算停止。

原因と対策:

• Courant数超過: 界面Courant数を確認。$Co_{\alpha} > 0.5$ なら $\Delta t$ を下げる
• 密度比が大きい: 水/空気（1000:1）では圧力方程式が不安定になりやすい。Fluentの Implicit Body Force を有効化、またはOpenFOAMの momentumPredictor no を試す
• 初期条件の不整合: $\alpha$ の初期分布と速度場の整合性を確認。静止状態から始める場合は圧力を静水圧で初期化する

原因と対策:

• メッシュが粗い: 界面通過領域のセル数を2倍にして改善を確認
• スキームが拡散的: HRICからGeo-Reconstruct（Fluent）やisoAdvector（OpenFOAM）に変更
• 圧縮項の不足: OpenFOAMの cAlpha を1.0から1.5に増やす（ただし過圧縮に注意）
• 長時間計算での蓄積: AMRを導入して界面近傍の解像度を維持

症状: 静止液滴の周りに非物理的な渦が発生し、液滴が変形する。

原因: CSFモデルにおける曲率計算の離散化誤差。

対策:

• メッシュを十分に細かくする（液滴直径に対して少なくとも20セル）
• $\alpha$ のスムージングを適用してから法線・曲率を計算
• Height Function法（構造格子の場合）を使用
• 表面張力のImplicit処理を有効にする

純粋なVOF法（FVMベース）では質量保存は厳密に保証されるはずだ。質量損失がある場合は以下を確認してほしい。

• CLSVOF使用時: Level Setの再初期化で質量が失われる。VOFのみに戻して比較
• AMR使用時: リファイン/コースニング時の補間誤差。保守的な補間スキームを選択
• 出口境界: 液体が出口から流出していないか確認。質量フラックスをモニターする

• Open Channel Flow: 自由表面高さの指定ミスで初期に大きな波が発生 → Flat Initializationを確認
• Implicit Scheme vs Explicit Scheme: 大きな $\Delta t$ を使いたいなら Implicit、界面精度優先なら Explicit + Geo-Reconstruct
• VOF to DPM転換: 小さな液滴がVOFの解像限界以下になった場合、DPMに自動転換する機能。転換基準の液滴径設定を確認

Fluent 2020以降で搭載された機能で、噴霧シミュレーションなどで非常に有用だ。VOFで1次分裂を捉え、細かい液滴はDPM（Lagrangian粒子）で追跡する。メッシュ解像度の制約を回避できるんだ。