数値流体力学

コンピューター支援設計 (CAD) と数値流体力学 (CFD) にはそれぞれ独自の特徴がありますが、相互に関係するツールとして、エンジニアリングおよび設計プロセスで使用されます。CAD は、物理オブジェクトの詳細な 2D または 3D デジタル表現の作成に重点を置いており、設計者は製品、構造、システムの視覚化、設計、試作を行うことができます。CAD は主に、形状、寸法、空間の関係を扱います。

一方、CFD は、CAD で設計されたオブジェクト内または周囲に流れる気体や液体などの流体の挙動をシミュレーションおよび解析します。CFD は、流体フロー、温度分布、圧力、その他のパラメーターの予測に役立ちます。CAD が設計を行い、CFD はその性能を評価し、空気力学、熱伝達、流体輸送などの側面を最適化します。つまり、CAD は設計そのものを支援し、CFD は設計システムと流体の相互作用の評価に重点を置きます。

数値流体力学 (CFD) は、さまざまな業界や用途で用いられる汎用性の高いツールです。主に、気体や液体などの流体挙動の解析とシミュレーションに使用されます。CFD の主な用途は、航空宇宙および自動車設計における空気力学、HVAC システムの最適化によるエネルギー効率の向上、ポンプやタービンなどのターボ機械の性能向上などです。

製薬および生物医学分野では、CFD は薬物送達分析や血流シミュレーションに用いられます。環境調査では、CFD は汚染物質の拡散と自然の水の流れの評価に役立ちます。天気予報では、CFD により大気の状態をモデル化できます。さらに、CFD は、発電における燃焼の最適化や化学工学における流体力学の評価など、産業プロセスにおいて重要な役割を果たします。

質量保存: 連続方程式

運動量保存: ニュートンの第 2 法則

エネルギー保存: 熱力学の第 1 法則またはエネルギー方程式

CFD は、幅広い業界や用途で非常に役立ちます。CFD は、エンジニア、科学者、設計者などさまざまな役割の方に、流体の挙動に関する貴重な知見を提供し、複雑な問題を解決に導きます。設計の最適化により性能が向上し、コストのかかる物理的な試作が不要になり、製品開発を迅速化できます。CFD は、航空宇宙、自動車、HVAC、ターボ機械などの分野で重要な気流、熱伝達、圧力分布の理解に役立ちます。医学や環境調査においても重要な役割を果たしており、薬物送達、血流、汚染物質の拡散に関する知見を得られます。つまり、CFD はさまざまな領域に問題解決とイノベーションをもたらす強力なツールであるといえます。

数値流体力学 (CFD) は、単相流体フローのモデル化の基盤であるナビエ・ストークス方程式に基づいています。簡略化により、粘度と渦度に関連する項を排除し、オイラー方程式とフルポテンシャル方程式に導きます。亜音速流と超音速流については、線形化されたポテンシャル方程式が登場しました。シリンダーや翼の周りの流体変換など、2D を用いる初期の方法は 1930 年代に開発されました。ルイス・フライ・リチャードソンの有限差分ベースの計算とその著書『Weather Prediction by Numerical Proces（数値手法による気象予報）』が CFD の基礎を築きました。1940 年代には、リチャードソンの技術を反映した ENIAC による CFD 計算が登場し、この分野の進化を形作りました。