SIMPLE法 — トラブルシューティング

SIMPLE法の収束問題は大きく分けて4パターンあるんだ。順番に見ていこう。

症状: 圧力や速度の残差がジグザグに振動する

原因と対策:

• 緩和係数が大き過ぎる → 圧力を0.2、速度を0.5に下げる
• メッシュの非直交性が高い → nNonOrthogonalCorrectors を2〜3に増やす（OpenFOAM）
• 離散化スキームが高次すぎる → 一旦1次風上に落として安定させる

症状: 残差が $10^{-2}$ 程度で停滞する

原因と対策:

• メッシュ品質不良 → セルのスキューネス、アスペクト比を確認
• 境界条件の不整合 → 質量流量の入口/出口バランスを確認
• 乱流モデルの初期値が不適切 → $k$ と $\epsilon$ の初期値を流速から見積もり直す

症状: 数ステップで残差が急増し NaN になる

原因と対策:

• CFL数が大きすぎる（擬似時間進行法使用時）→ 擬似時間刻みを小さく
• 境界条件で逆流が発生 → 出口をPressure Outletにし、backflow条件を確認
• メッシュに負体積セルがある → メッシャーでリメッシュ

そう。これはSIMPLE法特有の問題で、圧力補正方程式の解法に起因することが多い。

• AMG前処理のサイクル数を増やす（V-cycle → W-cycle）
• 圧力の線形ソルバー反復回数を増やす（50→200）
• メッシュの格子数比（coarsening ratio）を確認

Ansys Fluent:

• Divergence detected in AMG solver: pressure correction → 圧力緩和を下げる、メッシュ品質確認
• Reversed flow in N faces → 出口境界を流れから十分離す

OpenFOAM:

• GAMG: Solving for p, Initial residual = 1, Final residual = 1 → 圧力方程式が解けていない。境界条件の型を確認（fixedValue vs zeroGradient）
• Floating point exception → 負体積セル、ゼロ除算。checkMesh を実行

STAR-CCM+:

• Diverging solution - Loss of fluid cells → セル品質チェック、Time Step Factor を下げる

収束しないときの系統的なデバッグ手順をまとめよう。

1. メッシュ品質を確認: checkMesh（OpenFOAM）、Mesh Quality Report（Fluent）

2. 境界条件を簡略化: まず全壁面でテスト

3. 1次精度で安定計算: 収束してから2次精度に切り替え

4. 緩和係数を保守的に設定: 圧力0.2、速度0.5から開始

5. 残差の変数別推移を観察: どの変数が問題か特定

6. 物理量の場を可視化: 非物理的な領域がないか確認

9割のトラブルはメッシュか境界条件に起因する。ソルバー設定を疑うのは最後だよ。