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流体解析の基礎技術情報

PHOENICS は、有限体積法をもちいて質量、運動量、エネルギー等の保存式を、定常または非定常計算で空間1次元〜3次元を反復法を使用して解く汎用熱流体解析ソフトウエアです。

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流体解析では、「定常状態」とは時間無限大の時刻のことで、そのときには前の時間と現在の時間との差がない状態です。一方、 「非定常状態」とは、過渡状態ともよばれ、時々刻々状態が変化している最中をいいます。物体が移動している場合などは 非定常状態です。

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乱流変動は、分子拡散よりも運動量の移動から生成されます。また、乱流の振る舞いは広い周波数帯をもち、ある体積内では大きい渦と小さい渦が重なりあい存在します。大きい渦は、低周波の変動で流れ場と同程度の規模で、運動量輸送の大部分を占めます。小さい渦は、高周波の 変動で粘性力によって決定されます。

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流れの数値解析（CFD）を行うには通常計算格子が必要になります。CFD では元々連続的な物理量を、不連続な計算格子上で取り扱い（離散化）、近似解を求めます。CFDでの計算格子の役割をデジタルカメラ画素に例えるとわかりやすいです。

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多相流現象の定義は、PHOENICSに関して、考慮される空間の最小要素(すなわち計算セル)内に複数の識別可能な材料が存在していることを意味します。PHOENICSにはこの多相流を表すために二相流モデルや自由表面モデルなどいくつかの物理モデルを持っています。ここでは多相流解析に関する分類と特徴を説明します。

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PHOENICSでは、解析領域内において２つの連続した流体（”連続相＋連続相”）が同時に存在する流れの場合、２組の運動方程式やエネルギー式を解く『IPSA(Inter Phase Slip Algorithm)法』を用いて解析をします。　気＋液、固＋液、気＋固、液＋液など自由な組合せにより2相現象の解析ができ、また"３相"が同時に存在する場合もこの”解析手法”を使って解析をすることができます。

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『粒子挙動モデル（GENTRA）』は、解析領域内において２つの異なる流体（”連続相”と”分散相”）を解析するための機能です。　粒子の運動を”ラグラジアン”（位置ベクトルと速度ベクトルと時間に関する関数）で追跡します。 また、抗力や重力等の外力の他、蒸発、凝固などの相変化、さらに粒子間の相互作用が扱えます。

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過去10年、Realisable k-εモデル[1]は、境界層を含む流れが強逆圧力勾配、剥離および再循環流れを伴う場合の適用性が、標準k-εモデルよりも改善された。またRealisable k-εモデルは、円形ジェットの伝播速度の予測性能を大幅に改善すると報告されている。

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制波板設計およびラグーン輪郭の詳細は機密であり、何年にも渡って開発されてきた。ここでは、このような研究にPHOENICSの自由表面モデル（SEM、Scalar Equation Method）および移動体機能（MOFOR）を利用することが適切であることを示す。

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