熱的境界層 — CAE用語解説

それが熱的境界層だよ。壁面付近では流体の速度が落ちるから、熱伝導が支配的になって温度が急変する薄い領域ができる。例えば80℃のエンジンブロック表面と25℃の冷却風の間で、わずか数mmの層に温度差が集中するんだ。

速度境界層は流速が主流の99%に回復するまでの領域、熱的境界層は温度が壁面温度から主流温度の99%に達するまでの領域。この2つの厚さの比はPrandtl数（Pr）で決まる。空気はPr≈0.71だから熱的境界層のほうがやや厚く、水はPr≈7だから速度境界層のほうがずっと厚い。

そのとおり。壁面第1層のメッシュが境界層の温度勾配を解像できないと、熱伝達係数が大きくズレる。基礎方程式はこれだ。

壁関数を使うなら$y^+$を30〜300に、Low-Reモデルで直接解くなら$y^+$≈1にする必要がある。電子基板の冷却解析なんかでは境界層の解像度が放熱予測の精度を直接左右するから、メッシュの切り方が勝負だよ。

経験式で概算できる。平板の場合、$y^+ = \frac{u_\tau \cdot y}{\nu}$で、摩擦速度$u_\tau$はReynolds数から推定する。最初は少し細かめに切って、解析後に$y^+$を確認して調整するのが実務的だね。

• 境界層 — 速度境界層と熱的境界層は密接に関連する
• Prandtl数 — 速度と温度の境界層厚さの比を決定する無次元数
• 対流熱伝達 — 熱的境界層内の温度勾配から熱伝達係数が決まる

それが正解。解析後に壁面の$y^+$分布をコンタープロットして、基準を外れている領域がないか必ずチェックしよう。特に流れが剥離する角部や再付着点は境界層が乱れるから要注意だよ。