CGNS (CFD General Notation System) — CAE用語解説

CGNSは「CFD General Notation System」の略で、CFDデータを標準的に格納するためのフォーマットだ。中身はHDF5というバイナリ形式がベースだから、テキストファイルとは全然違う。大規模メッシュでも数百万セルのデータを効率よく扱えて、読み書きが非常に高速なのが特長だよ。

まさにそこが問題だったんだ。1990年代のCFD業界は、各ソルバーが独自フォーマットで保存していたから、メッシャーAで作ったメッシュをソルバーBに渡して、結果をポスト処理ツールCで可視化する、っていう当たり前のワークフローがすごく面倒だった。NASAとボーイングが中心になって「ソルバーに依存しない共通データ形式」を作ろうとしたのがCGNSの始まりだよ。

そのとおり、テキストエディタでは開けない。ただし cgnsview や HDFView といった専用GUIツールを使えば、ツリー構造をグラフィカルにブラウズできるよ。Pythonなら pyCGNS や h5py で読み書きできるから、スクリプトで自動処理するのも簡単だ。例えばこんな感じでノード一覧を取得できる：

いい質問だね。CGNSはHDF5のパラレルI/O機能（MPI-IO）をそのまま活用できる。つまり数千プロセスで分割計算していても、各プロセスが1つのCGNSファイルの自分の担当領域に同時に書き込める。これが無いと、全データをランク0に集約してから書き出すことになって、メモリも時間も爆発的に増える。数億セル規模の解析では、パラレルCGNSが事実上の必須要件だよ。

ツリー構造になっていて、各ノードに「名前」「ラベル（型）」「データ」が格納される。ざっくり言うとこんな階層だ：

違うね。構造格子の場合は、Zone_tにIJKのサイズ（例えば 129×65×33）を指定すれば、要素の接続情報は暗黙的に決まるからElements_tは不要。一方、非構造格子ではElements_tに全要素の頂点接続リストを明示的に書く必要がある。実務では非構造格子の方が圧倒的に多いから、Elements_tの扱いに慣れておくのが大事だよ。混合要素（テトラ＋プリズムなど）のときは、要素タイプごとにセクションを分けて格納するんだ。

それがCGNS最大のメリットだ。例えばPointwiseやICEM CFDでメッシュを作って、ANSYS Fluent、OpenFOAM、FUN3D、elsAなど異なるソルバーに渡すとき、CGNSなら変換の手間が最小限で済む。メッシュだけでなく境界条件や解データも一緒に持てるから、ポスト処理ツール（ParaViewやTecplot）への受け渡しもスムーズだよ。

正直に言うと、完全にシームレスとは言い切れない。CGNSの規格（SIDS: Standard Interface Data Structures）はかなり広範で、各ソルバーがサポートしている範囲が微妙に違ったりする。例えば、ある特殊な境界条件タイプをソルバーAは独自拡張ノードに書き込んでいて、ソルバーBはそのノードを無視する、なんてことはある。ただ、メッシュ座標と基本的な流れ場のデータ（圧力、速度、温度）は互換性が非常に高いから、8〜9割のケースは問題なくいけるよ。

対応してるよ。FlowSolution_tの中に GridLocation_t というノードがあって、Vertex（節点）か CellCenter（セル中心）かを指定する。有限要素法ベースのソルバーは節点値を使うことが多いし、有限体積法ベースのFluent・OpenFOAM・FUN3Dなどはセル中心値が自然だ。どちらで保存されているかをチェックしないと、ポスト処理で値がずれる原因になるから要注意だよ。

できるよ。BaseIterativeData_t と ZoneIterativeData_t というノードで、各タイムステップの解データへのポインタを管理する仕組みがある。1つのCGNSファイルに全タイムステップを入れることもできるし、ステップごとに別ファイルにすることも可能だ。実務的には、数千ステップの非定常LESなんかだと1ファイルに全部入れると数百GBになるから、ステップごとに分割するか、間引いて保存するのが現実的だね。

航空宇宙分野が一番多い。NASAやAIAA関連のワークショップでは、検証用ベンチマークケースのメッシュがCGNSで配布されることが標準だ。ターボ機械の分野でも、elsAやTURBO、CFX間でデータを受け渡すときにCGNSが活躍する。最近は自動車のCFDでもCGNSが増えてきたし、Pythonの meshio ライブラリ経由でSTLやVTKと相互変換する人も多い。

OpenFOAMには標準で ccm26ToFoam や cgnsToFoam（バージョンによって有無が異なる）といった変換ユーティリティがある。Foundation版にはないけどESI版（OpenCFD版）にはCGNS読み込みが入っていることが多い。なくても、Pythonで pyCGNS でメッシュを読んでOpenFOAMの polyMesh 形式に変換するスクリプトを書けば対応できる。逆にOpenFOAMの結果をCGNSにエクスポートして、Tecplotで可視化する、みたいなフローも実務では結構ある。

まずは cgnsview をインストールして、サンプルのCGNSファイルを眺めてみることだ。ツリー構造が視覚的に理解できる。次に、CGNSの公式ドキュメント（SIDS）のうち、GridCoordinates_tとElements_tとFlowSolution_tの3つだけ読めば、実務の8割はカバーできる。Pythonで読み書きしたいなら pip install pyCGNS で入るから、小さなメッシュで試してみるのが最短ルートだよ。