【小学生からの流体シミュレーション教室】④流体シミュレーションはじめの一歩

みなさんごきげんよう。
ねこ先生だよ。今日からいよいよ、みんなにも流体シミュレーションをやってもらうよ。

流体シミュレーションに必要なもの

この前の授業で、流体シミュレーションは、流体の流れをコンピュータで計算するコンピュータシミュレーションだって言ったよね。

ということは、流体シミュレーションには、

流体の流れを計算するためのプログラム
計算するためのコンピュータ

が必要になる。

プログラム

プログラムは、流体の流れを計算するための難しい式や、それをどうやって解くかっていうのがプログラミングされている。プログラムのことをソフトウェアって言ったりもするよ。

世の中ではいろいろな物を作ったり開発したりする時に使われる流体シミュレーションプログラムはとっても値段が高いんだ。何十万円も何百万円もしたりする。

なかには無料で使えるものもあるんだけど、ちょっと使い方が難しくて、小学生のみんなにはとっつきにくいものが多い。

そこで、今回みんなには、このホームページで簡単に使うことができる「CATCFDzero」っていう流体シミュレーションプログラムを使ってもらうよ。

CATCFDzeroは「きゃっとしーえふでぃーぜろ」って読むよ。CATは英語で「ねこ」のことなんだけど、このプログラムはねこ先生が作ったからCATだ。

無料で使えるので安心して使ってね。

コンピュータ

もう一つ必要なものはコンピュータだ。コンピュータは小さなものはスマホがあるよね。あとは部屋に置いてあるパソコン。大きいものだとスーパーコンピュータっていうのもあるよ。

最近だとみんな「富岳」って聞いたことあるかな。富岳はとっても速く、とっても多くの計算をすることができる、すごいスーパーコンピュータなんだ。

きょうみあるお友達は富岳のサイトで勉強してみよう→ハロー！スパコン富岳版（理化学研究所）

さて、今日使うCATCFDzeroは、パソコンで使ってもらうよ。スマホでもできないことはないんだけど、パソコンの方がいいな。パソコンができないお友達は、まわりの大人の人に聞いてみてね。

パソコンの準備ができたら、いよいよはじめるよ。

流体シミュレーションはじめの一歩

CATCFDzeroは次のリンクから開こう→CATCFDzeroを開く

こんな画面が開くね。

いきなり流体シミュレーション

じゃあ、さっそく[計算実行]のボタンを押してみよう。

しばらくすると、こんな画面になったかな？

はい。これで流体シミュレーションができました！

えっ、もうできたの！？　

とっても簡単に流体シミュレーションができたね。

矢印の見かた

出てきた絵を見てみよう。なんだか、赤い矢印がいっぱいあるね。この矢印の向きは流体の流れる向きを表していて、矢印の色は流体の速さを表している。絵の右側に、0から1の目盛りのついた、にじ色の棒があるけど、赤色は1.0くらいだね。速さの単位は秒速何メートル（ｍ）かだ。ようするに、赤色だと秒速１mくらいの速さを表している。

つまり、この絵からは、流体が左から右に向かって秒速１ｍで流れてるってことがわかるんだ。

流体の速さを表す矢印の見方は、わかったかな？

流体が流れる領域と境界条件

いきなりできましたって言われてもわけわかんないよね。ここから少し説明していくね。

まず、[境界表示]のボタンを押してみよう。右の方にあるやつだよ。

すると、こんな画面に変わったかい？

まず、四角に目盛りがついている部分は、流体が流れる領域（りょういき）を表している。この領域の中を流体が流れるよ。四角の横の辺には0から1まで目盛りがついている。これは領域の横の長さが１m（メートル）ということを表しているんだ。たての長さも、おんなじ１mだね。

そして、四角の左はしの辺は、赤い線になっている。この赤い線は流体が入ってくる入り口を表しているよ。右はしは、青い線になっているね。青い線は流体が出ていく出口のことなんだ。

つまり、この絵は横１ｍ、たて１ｍの四角形の領域の、左はしから流体が入ってきて、右はしから出ていくということを意味しているんだ。

ちなみに、流体がどこから入って、どこから出ていくかっていうのを境界条件（きょうかいじょうけん）って言うんだ。

流体の種類

あと、もうひとつ、流れてる流体は何だろう？空気？水？　流体の種類は何かな？

CATCFDzeroでは特に何も変えなければ空気が流れるようになっている。だから今の流体は空気だったんだ。

流体シミュレーションで最初に決めるもの

つまり、流体シミュレーションでは、最初にこれらの条件を決めてやる必要があるんだ。

流体が流れる領域
流れる流体の種類（しゅるい）
境界条件（どこから入って、どこから出るか）

さっきは何も条件を決めなかったけど、CATCFDzeroでは最初からいま計算した条件が設定されてたんだ。

流体シミュレーションでは最初に条件を決めてやるんだね。

条件を変えてみよう

じゃあ、条件をちょっと変えてみよう。下の図のように境界条件（流体の入り口と出口）の位置を変えてみるよ。

入り口は領域の左はしの0.2m～0.4mの位置にする。出口は右はしの0.6m～0.8mの位置にしよう。入り口からは秒速２mで空気が入ってくるよ。領域の大きさは同じだ。

流体の種類と領域の大きさを設定しよう

流体の種類と領域の大きさは、[物性]を開いて設定するよ。

流体の種類は[物性]のところで、空気か水を選べる。今は「空気」を選ぼう。

領域の大きさは、[領域]を押して、大きさを入力するよ。

[Lx]が横の長さ、[Ly]がたての長さだ。どっちも1.0になってたら、そのままにしといてね。

境界条件を設定しよう

次に、境界条件を設定しよう。[境界条件]を開いてね。

まず、No.１に流体の入り口を設定しよう。まず、左側のリストから「1: 流入（左端）」を選択しよう。

次に右側のパネルで条件を設定するよ。「流入」は流体の入り口を表すよ。「左端」はそれが領域の左はしにあることを意味する。[Lmin]、[Lmax]の値は0.2から0.4mまでが入り口だってことだ。最後に速さ2を[値]のところに入力する。これは秒速何mかって値だよ。入力し終わったら「適用」ボタンを押して、入力を確定するよ。

次に、No.２に出口を設定する。左のリストから「2: 圧力（右端）」を選ぼう。