自由表面 — CAE用語解説

気体と液体の界面のことだよ。この界面は流れとともに変形・移動する。普通の単相CFDと違って、「どこが水でどこが空気か」を追跡する必要があるのが自由表面問題の特徴なんだ。

主に2つの方法がある。VOF法は各セルの液体体積分率αを追跡する方法で、質量保存に強い。Level Set法はφ=0の等値面で界面を追跡して、曲率や法線の計算が得意。OpenFOAMのinterFoamはVOF法で、ダム崩壊やスロッシングのような大変形の自由表面を扱えるよ。

身近なところだとLNGタンカーの燃料タンク内のスロッシング。航海中の揺れで液体が暴れてタンク壁に巨大な衝撃荷重がかかるんだ。あとは鋳造時の溶湯の充填シミュレーション、河川の洪水予測、船舶の造波抵抗の評価にも自由表面は不可欠だよ。

まさにその通りで、AMR（適応的メッシュ細分化）を使って界面付近だけ自動的にメッシュを細かくする手法が主流だよ。全体を細かくすると計算コストが爆発するけど、AMRなら界面のシャープさを保ちつつ計算量を抑えられるんだ。

自由表面流れを扱うなら、この5つは押さえておこう。

その通り。船の模型実験でフルード数を合わせるのは、まさに自由表面の相似性を保つためだからね。自由表面はCFDの中でも視覚的に面白い分野だから、ぜひ手を動かして体感してみてほしいよ。