乱流境界層 — CAE用語解説

壁面上の摩擦力（壁面せん断応力）も、熱伝達率も、剥離が起きるかどうかも、全部境界層の中で決まるからだ。乱流境界層は内側から粘性底層、バッファ層、対数層、そして外層というように多層構造になっていて、それぞれ物理的なメカニズムが異なる。CFDでこの構造を正しく解像しないと、抗力や熱伝達を正確に予測できないんだ。

壁面からの無次元距離 y+ で分ける。y+ が 5 以下が粘性底層で、ここでは速度が y+ に比例する（u+ = y+）。y+ 30〜300 が対数層で u+ = (1/κ)ln(y+) + B に従う。この間のバッファ層が遷移領域だ。CFDで壁関数を使うなら第一メッシュのy+を30〜300に、壁面を直接解く低Re法ならy+を1以下に設定するのが鉄則だね。

CFDで乱流境界層を正しく捉えるには、壁面に沿ってプリズム層（インフレーション層）を入れるのが定番だ。たとえば自動車の空力解析なら、車体表面に10〜20層のプリズム層を成長率1.2程度で積み上げる。剥離が予想される領域では特に細かくする必要がある。

壁関数はメッシュ数を抑えられるから計算コストが低いけど、大きな圧力勾配や剥離がある流れでは精度が落ちる。低Re法は壁面まで直接解くから精度が高いけどメッシュが増える。航空機翼の失速解析や熱伝達の精密評価では低Re法が推奨される場面が多いね。

• 境界層
• 対数則
• y+

そうだ。計算後にy+の分布をコンターで確認する習慣をつけると、メッシュが適切かどうかすぐに判断できるようになるよ。