僕は、よく流体解析の境界条件をどうしたら良いのか悩みます(笑)
むしろCAE解析の肝と言っていい「境界条件」！！
この記事で基本的な流体解析の境界条件を示そうと思います。
マッハ数\(M<1\)の亜音速
非圧縮性流体と圧縮性流体の境界条件は基本的に同じと考えて良いです。
気を付けないといけないのは、マッハ数が1を超える超音速の流れの時です。
※非圧縮性流体では、流入流量（結局は速度）が与えられた場合、出口圧力を基準にして、上流に遡るにつれ、圧力が流路の圧損分だけ大きくなります。
非圧縮性流体
流量規定や流速規定において、流入圧力を設定することはありません。
入口が流量規定や速度規定の場合は、入口圧力は「出口圧力」と「流路の圧損」から決まるものであり、境界条件として指定するものではありません。
※流入圧力設定はなにか？
あまり正しい設定ではないが、流入密度を決めるときだけこの値が使います。
しかし、カット面等で見たときの圧力は、流路圧損による圧力分布が表示されているので、矛盾が生じます。
流入圧力は使用しない方が正しい解析となります。
流入圧力を指定しない場合、体積流量や流速指定では、入口の圧力から密度が決まるため、質量流量は状況に合わせて変化します。
流れの本質的なところは質量流量で決まるので、質量流量を設定したほうが解析は収束が良いです。
実際の状況として質量流量が既知の場合は、体積流量や流速に変換せずに質量流量を設定する方が良いです。
ちなみに・・・
非圧縮性流体として扱っている場合は、音速は無限大として扱われます。
その結果、圧力の情報は解析空間のあらゆる場所に、瞬時に伝達することになります。
また、非圧縮性流体ではいかなるときも流入流量＝出口流量が保たれます。
これも、入口で流体が流入したという情報は出口に瞬時に伝わっているためである。
圧縮性流体
非圧縮性流体の時と同じです。
例えば、既知のデータとして
- 流入速度（体積流量）
- 圧力
- 温度
がある状況でも、圧力指定をする必要がないということになります。
あるいは、入口を圧力規定とする場合は、逆に流速（流量）のデータが不必要になります。
※非圧縮流体でも、流路の流量と、圧損を同時に指定することはできません。
片方を指定すると、もう片方は解析結果として得られる値になりますので、実測と合うかどうかは解析の精度に依ります。
※圧縮性流体解析では、流入圧力が密度に影響するので惑わされがちですが、圧縮性流体解析でもまったく同じであるということになります。
マッハ数\(M>1\)の超音速
圧縮性流体
圧力（密度伝播）は音速で伝わるため、マッハ数\(M>1\)以上の場所を遡ることあが出来ません。
この場合、出口から入口まで圧力の情報が遡っていくことができなくなるため、
入口の圧力が決まらないので、流量規定や流速規定においても流入圧力を明示的に設定する必要があります。
まとめ
ちなみに・・・
非圧縮性流体、圧縮性流体とわけて考えることが多いですが、別に両者は異なる性質があって明確に分けているわけではなく、「非圧縮性の流れとして扱った方がいいよ」、「流体の圧縮性を考慮して扱った方がいいよ」という程度の区別です。
実在している流体は全て圧縮性（密度変化）のある流体ですが、それを密度変化がないと仮定した場合には「非圧縮性流体」として扱っているということになります。
密度変化が何%以内なら非圧縮性として扱うかは自分で決めないといけないですね。
一般的によく言われているのが、「密度変化を5%以内」と考えた時に非圧縮性の流れとして扱います。
そのときのマッハ数は約0.3です。
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