凝縮モデル — CAE用語解説

CFDで凝縮を扱う代表的なモデルが「Leeモデル」だ。気相と液相を別々に追跡するVOF法の枠組みの中で、界面での蒸発・凝縮の質量移動率を温度から計算するソースタームとして与える。式で書くとm_dot_cond = r_c * alpha_v * rho_v * (T_sat - T)/T_sat（T < T_sat のとき凝縮）となる。rはモデル係数で1e5オーダーが典型的で、ここをチューニングするのが実務での一番の悩みどころだ。

理論的な根拠は薄くて経験的に決めるのが正直なところだ。rが大きすぎると界面での温度が強制的にT_satに張り付いて収束しにくくなり、小さすぎると相変化が起きにくくなる。一般的には実験データや解析解（Nusselt膜状凝縮）との比較でキャリブレーションする。OpenFOAMのtutorialでは r = 1e5 [1/s] あたりを出発点にしてね、というガイダンスが多い。感度解析で±1桁振って影響を確認するのが安全だよ。

いくつかある。Hertz-Knudsenモデルは分子運動論ベースで、気液界面での質量流束をJ = alpha_c * (p_v - p_sat) / sqrt(2*pi*R*T) の形で計算する。より物理的だが界面の詳細解像が必要で計算コストが高い。実用的には膜状凝縮に限定してNusselt相関式をUDFで実装する方法も多い——管外凝縮器のような相関式が信頼できる形状では十分な精度が出る。LeeモデルはそのシンプルさからOpenFOAMでデフォルト採用されていて最も広く使われている。

湿り蒸気問題だ。低圧段の末段翼では膨張とともに蒸気がほぼ飽和状態になり、液滴が生成する。この液滴が超音速で飛んでくる翼に衝突して翼面がエロージョン（浸食）される。CFDでこれを解析するときはEuler-Lagrange法で液滴を追跡するか、核生成モデル（Classical Nucleation Theory）を組み込んで液滴の生成・成長を直接計算する。GE・三菱・シーメンスなど大手タービンメーカーは独自の凝縮モデルを持っている。

ざっくり整理すると——①OpenFOAMでVOF凝縮をやるならLeeモデルが鉄板、②相関式が使える形状（垂直平板、水平管外）ならNusselt式のUDF実装が速くて精度も十分、③液滴の核生成・成長が重要な問題（タービン翼の湿り蒸気、ノズル流れ）はCNT系の高度なモデルが必要、④全体的な熱収支だけ見たいなら相変化を熱源タームとして扱うバルク凝縮近似で十分——という使い分けだ。問題の解像度に合わせて選ぶのが大事。

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