流体-構造連成 — CAE用語解説

FSI（Fluid-Structure Interaction）は流体の力が構造を変形させて、その変形が流れ場を変化させる——この相互作用が重要な問題を扱う。別々に解く「片方向連成」は流体力→構造変形を一度計算するだけで、構造変形が流れに戻る影響を無視する。本当のFSIである「双方向連成」は流れ場と構造を反復的に解き直す。橋梁の風による振動（空力弾性）、心臓弁の動作（生体力学）、翼のたわみ（アエロエラスチシティ）、パイプ内の水撃（ウォーターハンマー）などは双方向連成が必要な典型問題だ。

双方向連成は確かに重い。流体ソルバーと構造ソルバーが各タイムステップで情報を交換しながら反復（PartitionedアプローチはOpenFOAMとAbaqusをprestor-correctorで連成するなど）するから、計算コストは各ソルバー単体の数倍〜数十倍になる。実用的な対策として、強連成（Monolithic Approach）——流体と構造を一つの方程式系として同時に解く——があって安定性が高いが実装が複雑だ。一方Partitioned Approach（各ソルバーを独立に走らせて界面でデータ交換）は既存ソルバーを組み合わせやすいが不安定になりやすい。preCICE（Precise Code Interaction Coupling Environment）というOSSのカップリングライブラリを使えばOpenFOAMやFEniCSを柔軟に連成できる。