相変化 — CAE用語解説

CAEでは、相変化に伴う「潜熱」の吸収・放出と、それによる温度変化を厳密に追跡します。例えば、水の凝固では1kgあたり約334kJの潜熱が放出されます。このエネルギーを考慮しないと、氷の温度降下が実際より速く計算されてしまいます。支配方程式には、比熱項に潜熱項を加えた「エンタルピー法」がよく使われます。

理想的には、純物質の相変化は一定温度（例：水の凝固点0℃）で起こります。CAEでは、この温度を「相変化温度」として設定し、その温度で潜熱の出入りを計算します。ただし、実際のシミュレーションでは、過冷却や不純物の影響をモデル化するために、数℃の幅（例：-1℃〜0℃）を持たせて相変化を起こす「マッシング法」を使うこともあります。

保存則のエネルギー方程式をエンタルピーHで表現します。一次元の熱伝導を例にとると、以下のようになります。

主な原因は二つです。第一に、エンタルピー-温度関係が相変化点で不連続（または急峻）になるため、反復計算で解が振動しやすい。第二に、液相率の急激な変化が物性値（密度、粘度）に跳びを生じさせ、連立方程式の係数行列の条件数が悪化します。例えば、溶融したパラフィンワックスの粘度は、固体に比べて10^6倍以上小さくなることもあります。

はい。代表的なのが「エンタルピー・ポロシティ法」です。これは、潜熱を「見かけの比熱」に変換して扱う方法で、

固定メッシュ（Eulerian）法では、界面をメッシュに合わせる必要はありませんが、界面付近で急峻な変化を捉えるために、メッシュを十分に細かくする必要があります。経験則として、相変化に伴う温度勾配が生じる領域を、少なくとも3〜5層のメッシュで解像することが推奨されます。一方、界面追跡法（VOF法など）を用いれば、界面を明示的に追跡できますが、複雑な凝固形状には向かない場合があります。

まずは物性値の収集と設定です。最低限必要なのは、固相線温度、液相線温度、潜熱、固相・液相それぞれの密度、比熱、熱伝導率です。例えばアルミニウム合金A356では、液相線温度約615℃、固相線温度約555℃、潜熱約389 kJ/kgです。これらの値はJIS H 5202やメーカーデータシートに記載されています。間違えると凝固時間が大きくずれます。

以下のチェックリストが有効です。

実験データがなくても、以下の2つの方法で検証の手がかりを得られます。

根本的な違いは、Fluentが「専用の物理モデル」としてSolidification/Meltingモデルを提供するのに対し、COMSOLは「ユーザーが方程式を組み立てる」アプローチを基本とすることです。Fluentのモデルは、液相率と粘性の関係をデフォルトでカーマン・コゼニー式でモデル化しており、鋳造シミュレーションにすぐ使えます。一方、COMSOLの「熱伝導と相変化」インターフェースは、エンタルピー法や見かけの比熱法を選択でき、相変化温度や潜熱を自由に定義できますが、固相の動き（収縮）を考慮するには「変形メッシュ」や「ALE法」を別途組み合わせる必要があります。

専用ソフトは「鋳造工程全体」に特化した機能とデータベースを持っています。例えば、ProCASTには、鋳型塗型の熱抵抗データベースや、数百種類の鋳鉄・鋳鋼の材料データベース（固相率-温度-強度の関係を含む）が組み込まれています。また、凝固収縮による「引け巣」や「凝固割れ」の予測アルゴリズムが標準装備されています。汎用CFDでは、これらの現象を再現するにはユーザー自身が複雑なユーザー定義関数（UDF）を開発する必要があり、実務ではハードルが高いです。

はい、可能ですが、主に「熱-応力連成解析」の文脈で使われます。Abaqus/Standardの「熱電伝導解析」ステップで、材料定義において「Latent Heat」を指定することで潜熱を考慮できます。しかし、溶融による流動や自然対流は考慮できません。あくまで、凝固による収縮応力や、溶接の加熱-冷却サイクルに伴う熱応力・変形を評価する目的で用いられます。本格的な凝固流動解析には、Abaqus/CFD（現在は開発終了）や、他の専用ソフトとの連携が必要でした。

主に3つの原因が考えられます。

これは数値拡散とソルバーの発振が原因です。対策は以下の通りです。

固定メッシュ（Eulerian）法で密度変化を扱う場合、連続の式を厳密に満たすことは本質的に困難です。しかし、以下の方法で軽減できます。