流体力学における6つの代表的な乱流モデル、Baldwin-Lomax, k-ε, k-ω, LES, DNS, そしてRANSについて、それぞれの特徴と使用方法を簡潔に解説します。
流体力学における6つの乱流モデル
流体力学において、乱流は非常に複雑な現象であり、正確に予測することは難しいです。これを扱うために、エンジニアと科学者は様々な乱流モデルを開発してきました。ここでは、代表的な6つの乱流モデルについて紹介します。
1. アレー・ブラウアモデル (Baldwin-Lomax Model)
アレー・ブラウアモデルは、数値的に簡便で計算コストが低いため、広く使用されています。特に飛行機の翼など流れの分離や再接合が顕著でない場合に適しています。
2. k-εモデル (k-ε Model)
k-εモデルは乱流のキネティックエネルギー (k) とその消散率 (ε) を基にしています。多くの工業アプリケーションで信頼性が高く、汎用的に使用されています。
3. k-ωモデル (k-ω Model)
k-ωモデルは、k-εモデルと同様に乱流のキネティックエネルギー (k) を用いますが、消散率 (ε) の代わりに比消散率 (ω) を使用します。壁面近くの流れをより正確に予測できるのが特徴です。
4. 大渦シミュレーション (Large Eddy Simulation, LES)
LESは大規模な渦だけを直接計算し、小規模な渦はモデル化します。これにより、大規模な渦構造の詳細を捉えることができますが、高い計算コストを伴います。
5. 直接数値計算 (Direct Numerical Simulation, DNS)
DNSは全ての時間・空間スケールの乱流構造を直接計算します。正確性は最も高いですが、非常に高い計算資源を必要とするため、現実的な工業アプリケーションにはまだ難しいです。
6. 再現可能なスケール予測 (Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS))
RANSは流れを平均化して計算し、乱流の影響を統計的にモデル化します。多くの工業アプリケーションで標準的に使用されており、計算コストが比較的低いのが利点です。
これらのモデルを理解し、適切に選択し使用することで、流体力学の問題に対してより正確な解を得ることができます。各モデルには利点と欠点がありますので、具体的なアプリケーションに応じて最適なモデルを選ぶことが重要です。
