対流熱伝達係数 — CAE用語解説

hはq = h(Ts - T∞) という式で表面の熱流束qを決める係数だ（Tsは表面温度、T∞は流体温度）。FEMの熱解析では固体のみをモデル化して、対流境界条件として面にhとT∞を与える。空冷なら自然対流でh = 5〜25 W/m²K、強制空冷でh = 25〜250、水冷でh = 500〜10000 W/m²Kが目安だ。電子機器の初期熱設計では経験値のhを使うことが多いが、精度が必要ならCFDで流れを解いて局所的なhを求めてFEMに渡すプロセスが標準だ。

Nu = f(Re, Pr) という相関式でNusselt数を計算してh = Nu × k/L（k：流体熱伝導率、L：代表長さ）として求める。例えば管内強制対流のDittus-Boelter式：Nu = 0.023Re^0.8Pr^n は最もよく使われる相関式のひとつだ。CAEではこれを境界条件の入力値として使う。ただし相関式には適用条件（Re範囲、形状）があって、外れると大きな誤差が生じる。複雑形状や流れが発達していない入口領域では相関式より直接CFD-CHTで解くほうが安全だ。

変わる。自然対流では流体の粘度や熱膨張係数が温度に依存するのでhも温度の関数になる。FEMでは温度依存のhテーブル（h vs T）を境界条件として定義できて、反復的に更新しながら収束解を求める非線形熱解析になる。AbaqusのFilm Conditionではこれをサポートしている。実務では複雑な依存性を考慮しつつも計算を安定させるため、温度範囲の代表値でhを一定とする近似も多い——「どこまで精度を追うか」の判断が設計者に求められる。

フィン形状と流速が決定的だ。フィンのアスペクト比、フィン間隔、表面積——これらを最適化するとhが最大化できる。ただし流路抵抗が増えると風量が落ちるトレードオフがある。実務ではフィン間の流速が高まりすぎると圧力損失ΔPが大きくなってファンの動作点がずれる。FluentsのCHT解析やFloTHERMのような熱流体専用ツールでフィン形状のパラメトリックスタディを回して、熱抵抗Rth（最小）と圧力損失ΔP（許容内）の両方を満たす設計点を探すのが効率的だ。