境界条件 – 流出
多くのシミュレーションで、流体は計算領域の1つまたは複数の境界から流出する必要があります。しかし、そうした「流出」境界における優れた境界条件とは、どんなものでしょうか。
圧縮性流れでは、流出境界における流速が超音速のときは、流れの擾乱が上流に伝搬できないため、境界条件の指定方法によって違いが生じることはほとんどありません。ただし、低速の非圧縮性流れの場合は、流出境界で発生する擾乱が、計算領域全体に影響を及ぼす可能性があります。
連続近似
最もシンプルかつ最も一般的に使用されている流出条件は、「連続」境界の条件です。連続境界条件は、すべての量の境界におけるゼロ法線微分で構成されています。ゼロ微分条件は、境界を通過して滑らかに連続する流れを表現することを目的としています。
ここで、連続境界条件には物理的根拠がないことを強調しておく必要があります。これは数学的な説であり、実際に望ましい流れが得られるかどうかは、定かではありません。特に、流れがこのような境界を通過して計算領域に入った場合、境界の外側に存在する流れの条件に関しては何も指定されていないため、誤った計算になる可能性があります。
連続近似の改善
FLOW-3Dでは、特殊な強化方法を使用して、連続境界の挙動を改善しています。このタイプの境界を通過して計算領域に入ろうとする流れは、まず静止の条件から始める必要があります。これによって流入が減少し、滑らかな流出の条件を合理的に近似できる場合が多くなります。それでもなお、連続境界条件は、常に疑いの目で見る必要があります。
その他の近似
問題の種類は限られますが、もっと優れた流出境界条件も存在します。たとえば、波動伝搬問題に関して、特殊な境界処理が考案されています。これは、境界に接近している波の速度と方向を特定し、最低限の反射で境界を通過して連続するように 境界条件 を設定しようとするものです。このタイプの処理の有益な例は、放射境界条件と呼ばれることもありますが、I. Orlanski氏によるJour. Comp. Phys. 21、251 (1976)で説明されています。
原則として、流出境界では、可能な限り、指定圧力条件のような物理的に有意な 境界条件 を使用してください。連続条件を使用する必要がある場合は、実用性が損なわれない程度に流れの主領域からできる限り離して配置し、主流に対する悪影響が最小限になるようにする必要があります。