今年もよろしくお願いします
少し遅くなりましたが，2009年もよろしくお願いいたします．
さて今年，私がやらねばならないことの一つに OpenFOAM が入ってきました．
この道に詳しい・・・恩人ともいうべき知人に伺った話をまとめると・・・
OpenFOAM は使える！っていうことです．
いや，正確にいうと，市販されている既存のCFDソフトと同等以上の精度がだせる！
しかし，その使い勝手が大問題！
ここをクリヤーして，効率的な解析を提供したいと考えています．
一般的なCFD解析はOpenFOAMやFronFlowを活用して低コストで実施，
そして，特殊な難しい現象はそれを得意とするCFDやベンダーを活用する．
将来的には，そんなスタイルも想像できますね．
さて今年，私がやらねばならないことの一つに OpenFOAM が入ってきました．
この道に詳しい・・・恩人ともいうべき知人に伺った話をまとめると・・・
OpenFOAM は使える！っていうことです．
いや，正確にいうと，市販されている既存のCFDソフトと同等以上の精度がだせる！
しかし，その使い勝手が大問題！
ここをクリヤーして，効率的な解析を提供したいと考えています．
一般的なCFD解析はOpenFOAMやFronFlowを活用して低コストで実施，
そして，特殊な難しい現象はそれを得意とするCFDやベンダーを活用する．
将来的には，そんなスタイルも想像できますね．
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７．CFD++CAA++の Wavepropf ソルバーについて
CFD++CAA++の中にとても気に入っている機能があります．
それが， Wavepropf ソルバーです．
CAA++ の中の Wavepropfというソルバーは，つまりは
Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)
を基礎にして音圧を計算するソルバーです．
実際の設定・実行の手順としては，計算を実行する前に任意の音源面という
面を設定します．仮の音源面と呼んでもいいでしょう．
で，この音源面は，実際の音源となる物体表面あるいはその空間を囲むよう
に四角柱か円柱，円錐などの形で設定します．
それから，CFD++で非定常計算を実行するわけです．
すると，その音源面での圧力データetcが保存されるわけです．
その圧力データは，時系列のデータです．それを音源データとして，
FW-H にて音圧レベルを求める．
というのが，Wavepropf ソルバーなんです．
それで，なにが気に入っているか？といいますと，
任意の音源面を設定できるという所です．物体表面でなくてもOKです．
それを囲む空間に任意に設定できるわけです．
ということは，FW-H とかいいながらも，四重極音まで考慮できてしま
うってことですよね．
なかなかですよね！
それが， Wavepropf ソルバーです．
CAA++ の中の Wavepropfというソルバーは，つまりは
Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)
を基礎にして音圧を計算するソルバーです．
実際の設定・実行の手順としては，計算を実行する前に任意の音源面という
面を設定します．仮の音源面と呼んでもいいでしょう．
で，この音源面は，実際の音源となる物体表面あるいはその空間を囲むよう
に四角柱か円柱，円錐などの形で設定します．
それから，CFD++で非定常計算を実行するわけです．
すると，その音源面での圧力データetcが保存されるわけです．
その圧力データは，時系列のデータです．それを音源データとして，
FW-H にて音圧レベルを求める．
というのが，Wavepropf ソルバーなんです．
それで，なにが気に入っているか？といいますと，
任意の音源面を設定できるという所です．物体表面でなくてもOKです．
それを囲む空間に任意に設定できるわけです．
ということは，FW-H とかいいながらも，四重極音まで考慮できてしま
うってことですよね．
なかなかですよね！
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６．CFD++CAA++の空力騒音解析機能
Metacomp社製作，ディライト社の販売するCFD++とCAA++という流体解析ソルバー
の空力騒音解析機能について概観しましょう！
(1) wavprop1ソルバー
Lighthillの式を基礎にして音圧を計算
(2) wavepropfというソルバー
Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)を基礎にして音圧を計算
さらに
(3) LESによる直接計算
CFD++では，LNS（RANS+LESハイブリッド） という名前です．
(4) NLASというソルバー
非線形擾乱方程式という，変形したナビアーストークスを計算する方法
なんと！空力音を求める方法が４種類も搭載されています．
しかし，この時点で私はちょっと疑問に思います．
Lighthill-Curleをベースにしているよね？FW-Hは！！
FW-Hを基礎にしている方法は，FLUENTやFrontFlowも採用しているし
機械学会ではベーシックな方法ですよね．
なんでしょうか？Lighthillの式を基礎にして音圧を計算とは？
というわけで，調べました．マニュアル読みました．
Lighthillの式は，左辺が伝播，右辺が音源．音源にはTijというライトヒルの
応力テンソルと呼ばれる項があります．これが音源項となっています．
音響アナロジーという手法で求めたLighthill方程式はとても有名ですが，
詳しく知りたい方は 飯田先生の資料などご参照ください．
それで，CAA++のwaveprop1ソルバーというのは，ライトヒルの応力テンソル
を様々な工夫によって求めているようなのです．しかも，定常解析の結果から
算出します．工夫の中味は，さすがに公開資料だけではよくわかりませんね．
（といいますか，高度に数学的な知識・理解を必要とするようです）
定常解析の結果（ｋやεやその他色々な数値）から右辺Tijを算出し，
積分して各時間の音圧を計算します．
手法からくる制限として，広帯域騒音にのみ適用可能です．
エオリアーントーンや共鳴などピーキーな空力音は予測できないのです．
しかし，定常解析結果から空力音の音圧スペクトルが求まるというのは魅力
です．いろんな騒音現象に適用して精度等々検証例がたくさん増えるといい
ですよね．
の空力騒音解析機能について概観しましょう！
(1) wavprop1ソルバー
Lighthillの式を基礎にして音圧を計算
(2) wavepropfというソルバー
Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)を基礎にして音圧を計算
さらに
(3) LESによる直接計算
CFD++では，LNS（RANS+LESハイブリッド） という名前です．
(4) NLASというソルバー
非線形擾乱方程式という，変形したナビアーストークスを計算する方法
なんと！空力音を求める方法が４種類も搭載されています．
しかし，この時点で私はちょっと疑問に思います．
Lighthill-Curleをベースにしているよね？FW-Hは！！
FW-Hを基礎にしている方法は，FLUENTやFrontFlowも採用しているし
機械学会ではベーシックな方法ですよね．
なんでしょうか？Lighthillの式を基礎にして音圧を計算とは？
というわけで，調べました．マニュアル読みました．
Lighthillの式は，左辺が伝播，右辺が音源．音源にはTijというライトヒルの
応力テンソルと呼ばれる項があります．これが音源項となっています．
音響アナロジーという手法で求めたLighthill方程式はとても有名ですが，
詳しく知りたい方は 飯田先生の資料などご参照ください．
それで，CAA++のwaveprop1ソルバーというのは，ライトヒルの応力テンソル
を様々な工夫によって求めているようなのです．しかも，定常解析の結果から
算出します．工夫の中味は，さすがに公開資料だけではよくわかりませんね．
（といいますか，高度に数学的な知識・理解を必要とするようです）
定常解析の結果（ｋやεやその他色々な数値）から右辺Tijを算出し，
積分して各時間の音圧を計算します．
手法からくる制限として，広帯域騒音にのみ適用可能です．
エオリアーントーンや共鳴などピーキーな空力音は予測できないのです．
しかし，定常解析結果から空力音の音圧スペクトルが求まるというのは魅力
です．いろんな騒音現象に適用して精度等々検証例がたくさん増えるといい
ですよね．
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５．CAA++ の ベースは CFD++
空力騒音を解析できる CAA++ は，CFD++ に含まれるモジュールのような提供
をされています．ですから，CFD++ と CAA++ はセットで使う必要があります．
ここでは，CFD++ について述べてみましょう．
CFD++ の流体解析ソルバーとしての実力は，確かにトップクラスのようです．
NASAを顧客として開発がスタートされ，米国航空業界のデファクトスタンダ
ードになっているということですから，なるほど納得ですね．
CFD++ の最大の特徴は，連成型ソルバーだということであろうと思います．
これまでの多くの市販ソルバーは，Simple法を用いた分離型ソルバーと称され
るそうです．
たしかに，運動方程式，質量保存式，エネルギー保存式を別々に解きます．
そして，繰り返し計算をして収束させます．
では，CFD++ は・・・運動方程式，質量保存式，エネルギー保存式を連立
させて一度に解きます．リーマンソルバーと呼ばれるそうで，衝撃波などの
圧縮性を扱う場合の数値解法として以前からあるのだそうです．
専門外の話になりましたが，衝撃波を扱う超高速の流れから自動車など普段
我々が扱う遅い流れまで，一つのソルバーで統一的に解析できるっていう所
が CFD++ の大きな特徴となっているようです．
つまり，もともと圧縮製に強いソルバーなのです．ということは，
本来，空力騒音は圧縮性の現象ですから CFD++ とCAA++ は生まれながらに
空力騒音に強いソルバーということになるのでは・・・と思います．
をされています．ですから，CFD++ と CAA++ はセットで使う必要があります．
ここでは，CFD++ について述べてみましょう．
CFD++ の流体解析ソルバーとしての実力は，確かにトップクラスのようです．
NASAを顧客として開発がスタートされ，米国航空業界のデファクトスタンダ
ードになっているということですから，なるほど納得ですね．
CFD++ の最大の特徴は，連成型ソルバーだということであろうと思います．
これまでの多くの市販ソルバーは，Simple法を用いた分離型ソルバーと称され
るそうです．
たしかに，運動方程式，質量保存式，エネルギー保存式を別々に解きます．
そして，繰り返し計算をして収束させます．
では，CFD++ は・・・運動方程式，質量保存式，エネルギー保存式を連立
させて一度に解きます．リーマンソルバーと呼ばれるそうで，衝撃波などの
圧縮性を扱う場合の数値解法として以前からあるのだそうです．
専門外の話になりましたが，衝撃波を扱う超高速の流れから自動車など普段
我々が扱う遅い流れまで，一つのソルバーで統一的に解析できるっていう所
が CFD++ の大きな特徴となっているようです．
つまり，もともと圧縮製に強いソルバーなのです．ということは，
本来，空力騒音は圧縮性の現象ですから CFD++ とCAA++ は生まれながらに
空力騒音に強いソルバーということになるのでは・・・と思います．
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４．CAA++の特徴（その１ つづき）
NLAS計算の特徴を一言で言ってしまうと，
平均量をk-ε定常解析で求め，その後，乱れ成分（＝撹乱成分≒音）のみを解析する．
これが，NLASによる計算になります．
基礎式はナビア・ストークスであり，理論的な問題はなさそうですね．
さらに詳しく知りたい場合は，こちらをチェックしてみてください．
日本機械学会ニュースレター流れ
幾つかの理論，先進的な工夫を取り入れて計算を実現しているようです．
特徴的な流体力学的工夫は，合成乱流法です．
簡単に言うと，乱流エネルギーｋの波数領域でのプロファイルを仮定して
サブグリッドスケールの乱れを合成的に予測する．
ということ．なので，粗いグリッドの割には，高周波域まで解析可能です．
しかも，なかなか精度がよい．しかも，計算も速いのです．
もっと詳しく内容を知りたい方は，直接お問い合わせください．
体験セミナーも開催されています．
ディライト社のHPはこちら → http://www.delight-group.net/index.html
ところで，知人の数値計算の研究者に伺ったところ，NLASのメリットは
流れと音のスケールの問題，分けて計算することによるトータルの計算時間の
短縮が可能になる手法・・・ではないか？という意見を頂きました．
たしかに使ってみると，計算時間が早いです！
円柱を題材に3次元非定常LES計算をやってみたんですが，早いです．
ノートPCで計算できました．
最近のPCは高性能化しているとはいえ，ノートPCでLES計算が実行できたことに
私自身は驚き，喜んでいます．
しかしながら，正確に言えば，NLASの計算結果は微小な撹乱を求めているわけ
ですから，音波以外の微小変動も計算結果に含まれる可能性は否定できません．
そこは，他のCFD同様，ケースバイケースで確認を取りながら活用をすすめて
いけば良いでしょう．
平均量をk-ε定常解析で求め，その後，乱れ成分（＝撹乱成分≒音）のみを解析する．
これが，NLASによる計算になります．
基礎式はナビア・ストークスであり，理論的な問題はなさそうですね．
さらに詳しく知りたい場合は，こちらをチェックしてみてください．
日本機械学会ニュースレター流れ
幾つかの理論，先進的な工夫を取り入れて計算を実現しているようです．
特徴的な流体力学的工夫は，合成乱流法です．
簡単に言うと，乱流エネルギーｋの波数領域でのプロファイルを仮定して
サブグリッドスケールの乱れを合成的に予測する．
ということ．なので，粗いグリッドの割には，高周波域まで解析可能です．
しかも，なかなか精度がよい．しかも，計算も速いのです．
もっと詳しく内容を知りたい方は，直接お問い合わせください．
体験セミナーも開催されています．
ディライト社のHPはこちら → http://www.delight-group.net/index.html
ところで，知人の数値計算の研究者に伺ったところ，NLASのメリットは
流れと音のスケールの問題，分けて計算することによるトータルの計算時間の
短縮が可能になる手法・・・ではないか？という意見を頂きました．
たしかに使ってみると，計算時間が早いです！
円柱を題材に3次元非定常LES計算をやってみたんですが，早いです．
ノートPCで計算できました．
最近のPCは高性能化しているとはいえ，ノートPCでLES計算が実行できたことに
私自身は驚き，喜んでいます．
しかしながら，正確に言えば，NLASの計算結果は微小な撹乱を求めているわけ
ですから，音波以外の微小変動も計算結果に含まれる可能性は否定できません．
そこは，他のCFD同様，ケースバイケースで確認を取りながら活用をすすめて
いけば良いでしょう．
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３．CAA++の特徴（その１）
さて，CAA++には幾つか特徴があるようです．
もっともオススメの空力騒音解析について，まずは紹介していきましょう．
なんと言っても最大の特徴は，ディライト社のＨＰにもありますが，
NLAS ですね．
これは，Non Linear Acoustic Solver の頭文字です．
訳せば，非線形音響ソルバー ですね．
ディライト社から頂いたプレゼンCDや論文，さらには，
日本機械学会 流体部門 ニュースレターの紹介記事
で知った内容を紹介すると・・・NLASとは・・・
�� ナビア・ストークスの式を平均量と乱れ成分に分解する．
（これは，ｋ−ε方程式の導出でもなされることですね．
よくある手法です．）
�� 式を変形し，左辺に乱れ成分，右辺に平均量をまとめる．
�� 右辺の平均量はｋ−εの定常解析で求める．
�� 左辺の乱れ成分のみ数値解析を求める．
とまぁ，おおかたこういう計算を実現したものが NLAS という
ことです．
で，なにが計算できるかというと・・・（続く）
もっともオススメの空力騒音解析について，まずは紹介していきましょう．
なんと言っても最大の特徴は，ディライト社のＨＰにもありますが，
NLAS ですね．
これは，Non Linear Acoustic Solver の頭文字です．
訳せば，非線形音響ソルバー ですね．
ディライト社から頂いたプレゼンCDや論文，さらには，
日本機械学会 流体部門 ニュースレターの紹介記事
で知った内容を紹介すると・・・NLASとは・・・
�� ナビア・ストークスの式を平均量と乱れ成分に分解する．
（これは，ｋ−ε方程式の導出でもなされることですね．
よくある手法です．）
�� 式を変形し，左辺に乱れ成分，右辺に平均量をまとめる．
�� 右辺の平均量はｋ−εの定常解析で求める．
�� 左辺の乱れ成分のみ数値解析を求める．
とまぁ，おおかたこういう計算を実現したものが NLAS という
ことです．
で，なにが計算できるかというと・・・（続く）
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２．CFD++ ＆ CAA++ とは？（続き）
CFD++は，シーエフディープラスプラスと読みます．
CAA++は，シーエーエープラスプラスです．
プログラミング言語のC++ってご存知ですか？
C言語よりも簡単で高度な言語という意味で ++ がついているそうです．
CFD++ と CAA++ も同じく，従来の CFD よりも簡単で高度な解析ができる！
っていう意味なんだそうです．
さて，なぜ？この流体解析ソリューションがおすすめなのか？
私の理由は，空力騒音が解析できるからです！
空力騒音の解析機能がすごくいいのです．
2008年1月現在での流体解析ソリューションでは，きっとNo.1でしょう．
もちろん，空力音解析のベースとなる流体そのものの計算もすごく精度が良い
のです．しかも！同じGUIのなかで流体騒音の計算までいけてしまいます！
これまでの流体解析ソフトが提供している空力騒音の解析機能というのは，
Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) による空力音の計算機能がほとんどです．
しかし，CFD++＆CAA++は，空力音の伝播解析ができます．
空力音の伝播解析がシームレスな環境で可能です！
これは，使い勝手いいですよ．もちろん，FW-Hも計算できます．
CFD++が流体解析ソルバーで，CAA++は流体音の解析ソルバーです．
CAA++ は CFD++ の組込みモジュールという形です．
聞いたところによると，CAA++はイタリア自動車メーカーのバックアップで開発
されたソフトであるとの説明を頂きました．
確かに計算事例にそれらしいものが幾つもありますね．
計算事例はこちらで確認できます．
開発元 → Metacomp Technologies 社
日本の総代理店 → 株式会社 ディライト
CAA++は，シーエーエープラスプラスです．
プログラミング言語のC++ってご存知ですか？
C言語よりも簡単で高度な言語という意味で ++ がついているそうです．
CFD++ と CAA++ も同じく，従来の CFD よりも簡単で高度な解析ができる！
っていう意味なんだそうです．
さて，なぜ？この流体解析ソリューションがおすすめなのか？
私の理由は，空力騒音が解析できるからです！
空力騒音の解析機能がすごくいいのです．
2008年1月現在での流体解析ソリューションでは，きっとNo.1でしょう．
もちろん，空力音解析のベースとなる流体そのものの計算もすごく精度が良い
のです．しかも！同じGUIのなかで流体騒音の計算までいけてしまいます！
これまでの流体解析ソフトが提供している空力騒音の解析機能というのは，
Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) による空力音の計算機能がほとんどです．
しかし，CFD++＆CAA++は，空力音の伝播解析ができます．
空力音の伝播解析がシームレスな環境で可能です！
これは，使い勝手いいですよ．もちろん，FW-Hも計算できます．
CFD++が流体解析ソルバーで，CAA++は流体音の解析ソルバーです．
CAA++ は CFD++ の組込みモジュールという形です．
聞いたところによると，CAA++はイタリア自動車メーカーのバックアップで開発
されたソフトであるとの説明を頂きました．
確かに計算事例にそれらしいものが幾つもありますね．
計算事例はこちらで確認できます．
開発元 → Metacomp Technologies 社
日本の総代理店 → 株式会社 ディライト
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