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Interactive Tool — CFD Numerics

対流拡散方程式シミュレーター
(数値安定性の可視化)

中心差分・風上差分・QUICK法の定常解を解析解と比較。ペクレ数が増加すると中心差分が振動する様子をリアルタイムで確認できます。CFD数値スキームの直感的理解に。

$u\dfrac{d\phi}{dx} = D\dfrac{d^2\phi}{dx^2}, \quad Pe = \dfrac{u \Delta x}{D}$
定常解の比較 中心差分
数値特性サマリー
ペクレ数 Pe = uΔx/D
数値拡散係数 Dnum
最大誤差 |φ_num − φ_exact|

理論メモ — 対流拡散と数値安定性

定常1次元対流拡散方程式の解析解(φ(0)=1, φ(L)=0):

$$\phi(x) = \frac{e^{Pe \cdot x/L} - e^{Pe}}{1 - e^{Pe}}, \quad Pe_{total} = \frac{uL}{D}$$

中心差分スキームはセルペクレ数 $Pe_{cell} = u\Delta x / D > 2$ で非物理的振動が発生します。風上差分は無条件安定ですが $D_{num} = u\Delta x/2$ の数値拡散が加わります。QUICKはその中間で3次精度を持ちますが、条件によっては振動が残ります。

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