2025/03/13

流体解析とは？CFDシミュレーションの手順や活用例を解説

流体の動きを数値的に解析する流体解析（CFD）は、製造業をはじめ製品の設計や改良に欠かせません。現在では、さまざまな分野に流体解析の活用が広がっています。

とはいえ、流体解析には専門的な知識やツールが必要となるため、「流体解析とは何かを学びたい」「流体解析を行う手順を知りたい」という人も多いのではないでしょうか。

本記事では、流体解析について、概要やシミュレーションの手順を解説します。流体解析がどのような分野で使われているのかにも触れるので、流体解析について知りたい場合はぜひ最後までチェックしてみてください。

流体解析とは

流体解析とは、空気や液体などの流体の動きを解析する手法のことです。「機械力学」「熱力学」「材料力学」と並ぶ機械工学の4大力学である「流体力学」を応用したもので、一般的にCFD（Computational Fluid Dynamics）と呼ばれています。

流体解析を行えば、流体がどのように動くのかの数値的な予測が可能です。このことから、流体解析はさまざまな産業で、設計や構造の最適化などに活用されています。

流体解析における「流体」の定義は「外力によって変形し、連続的に流れる物質」とされることが一般的です。基本的には単独の液体や気体を指しますが、気体＋液体・液体＋固体といった多相流体を解析対象とする場合もあります。

産業分野で流体解析を用いる場合の解析対象の流体は、以下のようなものが例として挙げられます。

＜流体解析の対象となる流体の例＞

CFDシミュレーションとは、流体力学に基づく流体の流れや性質などの物理的な事象を、コンピュータ上で数学的にモデリングする手法のことです。気体や液体がどのように動くのかを数値的に解析し、製品の設計や性能の最適化などに活用できます。

CFDシミュレーションで解析できるものは、流体の速度・圧力・温度・密度・粘度などです。実際に製品を試作したり実験したりするのにはコストと時間がかかりますが、CFDシミュレーションなら何度でもデータを収集できます。

一方、CFDシミュレーションを利用する際に簡略化した物理モデルを用いる場合、実際の挙動との誤差が生じる点には要注意です。シミュレーション上の小さな誤差が設計上の致命的な問題を引き起こすリスクもあるため、慎重にソフトやモデルを選定する必要があります。

一般的なCFDシミュレーションの手順は以下のとおりです。

それぞれの手順を確認しておきましょう。

CFDシミュレーションに使うソフトウェアを動かすには、十分なスペックを備えたコンピュータが必要です。特に大規模な計算が必要なシミュレーションには、CPUやメモリなどに高いスペックが求められるでしょう。

流体解析用のソフトウェアを導入する際は、必要なコンピュータのスペックについてソフトウェアベンダーなどに相談することをおすすめします。主な目的や解析内容を伝えれば、必要なコンピュータについてアドバイスをもらえるでしょう。

前処理とは、解析対象のデータを解析しやすいように加工する作業のことです。適切な前処理ができていれば、高精度なシミュレーションが可能となります。解析前のデータに明らかなエラーやノイズがある場合は、事前に取り除くなど対応しておきましょう。

CFDシミュレーションのソフトウェアによっては、ある程度のエラー・ノイズであれば補正できるものもあります。ただ、ソフト上の自動補正も完全ではないため、自身でできることは事前に対応しておく方がベターです。

ソフト上では、データの前処理とは別にシミュレーションの準備が必要です。具体的には、以下のような作業を行う必要があります。

ジオメトリ（形状）は、CADソフトなどを使って作成します。複雑な形状の場合、不要な箇所を省略すれば計算負荷を削減可能です。

メッシュ（格子）作成では、ジオメトリを求める計算精度に応じて細かく分割します。流れが複雑な部分はメッシュを細かく設定すれば、精度の高い計算ができるようになります。

境界条件は、解析をしたい環境や条件に応じて設定しましょう。

前処理や準備が完了したら、CFDのソルバーを使ってシミュレーションを行います。ソルバーとは、収集したデータを基に計算する機能のことです。CFDでは、流体解析ソルバーを活用します。

CFDシミュレーションソフトによって、ソルバーの性能は異なります。ソルバーの性能はシミュレーション精度や計算速度にも影響するため、導入するソフトを選ぶ際のポイントとなるでしょう。

ソルバーでの計算が終わったら、データの後処理を行います。後処理とは、計算結果として得られたデータを可視化する作業のことです。シミュレーション結果を見やすい形に変換する重要なステップだといえます。

CFDシミュレーションの結果を可視化する手法には、以下のようなものがあります。

目的に活かせる形にデータを可視化できたら、CFDシミュレーションの手順は完了です。

CFDシミュレーションは、さまざまな産業分野で広く活用されています。CFDシミュレーションを適用する分野とその用途の例は以下の表のとおりです。