化学種輸送 — CAE用語解説

普通のCFDだと流体は1種類として扱うけど、燃焼や混合の問題では酸素・燃料・CO₂・H₂Oなど複数の化学種が混在している。化学種輸送方程式は、各成分の質量分率がどう移動し、拡散し、化学反応で生成・消滅するかを記述する方程式だよ。Navier-Stokes方程式に加えて、化学種の数だけ輸送方程式が追加されるんだ。

化学種の数に比例して増える。例えばメタンの燃焼で5種（CH₄, O₂, CO₂, H₂O, N₂）だと追加5方程式。でも詳細反応機構を使うと水素燃焼で9種、ガソリン燃焼では数百種以上になることもある。そこでリダクション（反応機構の簡略化）やフレームレットモデルで計算量を減らすのが実務的だね。

結構あるよ。例えば半導体のCVDプロセスでは原料ガスの分解・堆積を化学種輸送で解く。排ガス浄化触媒（SCR）ではアンモニアとNOxの反応をモデル化する。環境分野では河川の汚染物質拡散もこの枠組みで扱えるんだ。

流れ場の基礎方程式はこれ。これに加えて各化学種の輸送方程式を連立させるのがポイントだ。

Fluentなら「Species Transport」モデルをONにして反応機構ファイルを読み込むだけで基本設定は完了する。OpenFOAMではreactingFoamソルバーを使う。ただし反応速度定数や活性化エネルギーの設定が結果に大きく影響するから、化学反応データベース（GRI-Mechなど）の選択は慎重にね。

燃焼モデルは最も直接的な応用だね。あとは拡散係数と多成分系の物性モデルも重要だよ。

• 燃焼モデル
• 拡散
• 多成分

いいスタートだね。GRI-Mech 3.0は53種・325反応で精度が高いけど計算が重いから、まずは簡略版（2-step, 4-step）で流れ場を確認してから詳細機構に切り替えるのがコツだよ。