その2 既設生産ラインの撹拌槽の生産性を上げる対策案を出せ！（前編）

CFDとは

CFDとは、 Computational Fluid Dynamics の略であり、 数値流体力学（計算流体力学ともいう）のことです。 流体運動を支配する連続の式やナビエストークス方程式の基礎方程式を離散化して代数方程式で近似し、 コンピュータによって数値的に解くことで流体の挙動を予測することができます。 このCFDの誕生により、 撹拌槽内の混合状態やフローパターン等を可視化できるようになりました。

CFDでは必要に応じて様々な物理現象をモデル化（定式化）し、 代数方程式に離散化しているのですが、 モデル化や離散化において仮定や近似値を用いるため、 必ず誤差が生じます。 さらには、 コンピュータの性質上の誤差も生じます。 そのため、 数値解にはこれらの誤差が含まれることを念頭に置いておく必要があります。

ここで、 CFDにおけるモデル化でよく知られているモデルの一例が乱流モデルです。
慣性力と粘性力の比であるレイノルズ数が大きい時に乱流が発生します。 そのため、 CFDで高レイノルズ数の流れを解くときに、 乱流を考慮する必要があります。 乱流を構成している様々な種類の渦運動のモデル化により、 k-ε モデル、 LES（Large Eddy Simulation）等、 様々な乱流モデルが存在しています。 したがって、 CFD を用いたソフトウェア等で流体運動を解く際には、 このモデルの選定が極めて重要となります。

ところで、 シミュレーションを実施するメリットは何でしょうか？
数値シミュレーション、 特に流体シミュレーションの最も大きなメリットは、 見えない現象を可視化できることでしょう。 さらには、 実験では非現実的な極端な条件でも検証できる、 試作や実験の手間を省ける、 実機条件で解析できる等のメリットが挙げられます。

ただ、 流体シミュレーションは、 メリットだけでなくデメリットもあります。
流体シミュレーションでは、 現象を定式化されていないと計算できないですし、 定式化する際に仮定や近似値を使っているので、 実際の値と同じになるかは計算してみなければ分からないのです。

例えば、 液面から気体の巻き込み現象のような場合、 どのような条件で液面から気体をどれだけ巻き込み、 液中に巻き込まれた気泡径がどうなるかといったメカニズムの定式化が難しいため、 汎用のCFDソフトウェアでの解析は困難となってしまいます。

仮に液面からの気体の巻き込みをシミュレート出来たとして、 その結果と実現象との整合性は局所的なものではなく、 気液間物質移動係数などのような全体的な評価となると考えます。

したがって、 シミュレーションで気体の巻き込み条件や巻き込まれた気泡径等を解析しても最終的には全体的な評価となるため、 スケールダウン試験による検証が最も有効な手段となるのです。

だからこそ、 流体シミュレーションは、 実験を行って実際の現象との整合性等を検証したり、 デメリットを把握した上で活用すべきものなのです。 ただ、 その点を理解して使えば非常に有効なツールとなり得ることは言うまでもありません。