流れ 2007年8月号 目次
― 流体と騒音：汎用ソフトウェア特集 ―
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CD-adapcoの最新CFD技術のご紹介 ～“次世代”汎用熱流体解析プログラムSTAR-CCM+～
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1. はじめに
もの作りをおこなっている各企業にとって，もはや熱流体解析は欠く事の出来ない設計ツールの１つと言っても過言ではなくなってきている．基礎研究 / 先行開発での利用から，設計現場への熱流体解析の広がりを受けて，商用の汎用熱流体解析プログラムにも利用者の要望にあわせた進化が強く求められている．
こうした背景を受けて，世界で最も利用されている汎用熱流体解析プログラムのひとつである STAR-CD を開発している CD-adapco では，これまでに培った熱流体解析技術をベースに次世代のニーズも見据えて，汎用熱流体解析プログラム STAR-CCM+ を開発し，提供を始めている．本稿では，この STAR-CCM+ で現在利用可能な CD-adapco の最新熱流体解析技術をいくつかピックアップして紹介をする．
2. CD-adapco の最新熱流体解析技術
ここでは最新技術のトピックスとして，“使い勝手”，“設計形状データの有効利用およびメッシュ作成”そして“計算精度 / 安定性および解析規模”を考え， 4 つの機能の紹介をする．
2.1 エンジニアリング指向で使い勝手の良い GUI
解析実行中にエンジニアがどのような情報が必要かを考慮して開発がおこなわれた STAR-CCM+ の GUI では，クライアント / サーバーコンセプトにより計算実行中に任意のコンター図 / ベクトル図 / グラフを同時表示しながら，計算進行とともにリアルタイムに結果表示をアップデートする（図 1）．外部から実測データなど，任意のデータ群を読み込み，同じグラフに表示する事も可能のため，実測や過去の計算結果との比較もスマートにおこなう事ができ，迅速な解析結果の判断を実現させている．また，これらエンジニアリングデータを解析の収束判定条件として簡単に設定する事ができるため，設計者の感覚に合った熱流体解析を実現している．
図 1 計算実行中の STAR-CCM+ GUI
2.2 サーフェスラッピング
CD-adapco が独自開発しているサーフェスラッピング機能は，現時点で業界トップレベルの使い勝手 / スピード / 形状再現性を実現している．アセンブリーデータを読み込んで外形形状を閉じたサーフェスメッシュとして得る事や，固体部分のデータを読み込んで内部の流体部分の表面形状をサーフェスメッシュとして抽出する事など， STAR-CCM+ の使い勝手の良い GUI で短時間に作業する事が出来る（図 2）．
図 2 STAR-CCM+ でのサーフェスラッピング例（青：アセンブリーデータ，赤：ラッピングサーフェス）
サーフェスラッピングで得た完全にクローズしたサーフェスメッシュに対して，リサーフェサーと呼ばれる高クオリティの表面メッシュを再作成する行程を続いて実施すれば，トリムドメッシュやポリヘドラルメッシュのボリュームメッシュ作成準備終了となる． STAR-CCM+ 上で作成されたボリュームメッシュは ccm ファイルと呼ばれるファイルを受け渡す事により， STAR-CD V4 でそのまま利用する事が出来る．
2.3 ポリへドラルメッシュ
CD-adapco が提案する解析技術の中でも近年最も注目を浴びている技術がこのポリへドラルメッシュ（図 3）である．元々 STAR-CD/STAR-CCM+ は任意の多面体メッシュに対応した熱流体解析ソルバーであるが， CD-adapco が独自に開発した全自動かつ平均 10 ～ 15 程度の面を持った高クオリティのポリへドラル（多面体）メッシュ作成技術により，実問題の形状再現性に加え，精度と安定性のバランスの取れた解析が短時間でおこなえるようになってきている．
図 3 ポリへドラルメッシュ
この技術の一般的な特徴として，複雑な形状を持った実問題に対してテトラメッシュと同等の自動メッシュ性を持ちながら，解析精度 / 安定性 / 速度に関して大きなアドバンテージを持つ事が多くのテストから実証されている． ここでは以下の 2 つの検証例を紹介する．まず，図 4 にモータスポーツ車両の空力特性をテトラメッシュとポリへドラルメッシュで定常解析し，収束性を比較した結果を示す．
図 4 メッシュタイプによる計算収束性の比較
図の上段がテトラメッシュ（約 200 万メッシュ），下段がポリヘドラルメッシュ（約 35 万メッシュ）のものである．図の左側には横軸が計算イタレーションで，抗力係数（赤線）と揚力係数（緑線）の 2 つの空力特性のグラフが示されている．このグラフより，どちらのメッシュタイプで計算しても空力特性はほぼ同じ結果が得られるにも関わらず，収束までの解析イタレーションに関してはポリへドラルメッシュの方が圧倒的に少ない事がわかる．また収束までの傾向に関しても，ポリヘドラルメッシュによる解析では定常解への漸近のしかたが早い事に特徴が見て取れる．このような特性は，その大小はあれど，様々な解析対象で確認する事が出来る．
もう１つの例として，図 5 に乗用車用エンジンの冷却流路の一部の圧力損失をテトラメッシュとポリヘドラルメッシュのメッシュ数を変えながらそれぞれ解析し，メッシュタイプの違いによる，解のメッシュ数依存度を調査した結果を示す．横軸はメッシュ数，縦軸は圧力損失である．
図 5 メッシュタイプによる計算精度 / 安定性の比較
両メッシュタイプともメッシュ数を増やすとそれぞれメッシュ数独立の解に近づいていく傾向は同じであるが，テトラメッシュに比べ，ポリへドラルメッシュの方が明らかに少ないメッシュ数でメッシュ数独立の解に近づき，これによる計算時間も大幅に短く済んでいる事がわかる．この特徴は複雑な流れ場に対し，テトラメッシュと比べてセルフェイスの直行性などに優れるポリへドラルメッシュの優位性を端的に示している．
2.4 大規模メッシュ数計算への対応
解析精度向上のため，もしくは実形状を正確に再現するためなどの理由で，ハードウェアの高性能化 / 低価格化を追い風に熱流体解析で利用される解析メッシュ数もここ一年で爆発的に増加する傾向がある． CD-adapco は STAR-CD V4 および STAR-CCM+ に対して，このようなニーズを視野に入れ，数億～十億メッシュクラスの計算を前提として開発をおこなっており， STAR-CCM+ ではソルバーだけでなくプリポストの並列 CPU 処理に対応する事で解析設定や結果処理においても快適な作業を実現している．
最近の事例では約 10 億メッシュのモデルを 500CPU の並列計算で解析したケースも報告されている（図 6）．
図 6 STAR-CCM+ による大規模メッシュ計算例
3. おわりに
本稿では汎用熱流体解析プログラム STAR-CCM+ で利用可能な最新解析技術を紹介した．
これらの中でポリヘドラルメッシュや大規模メッシュ数計算対応は STAR-CD V4 でも取り入れられている反面， STAR-CD の豊富な物理モデルは今後 STAR-CCM+ に順次組み込まれる予定である．
企業のもの作りの現場で必要とされる流体現象に関わる情報は，実測でも詳細に観察する事は容易ではないことから，設計ツールとして熱流体解析プログラム利用が今後も広がる事を期待するとともに，エンジニアの要望に応えられる汎用熱流体解析プログラムを提供し続ける事が出来るよう努めていきたい．