流れの分類（定常流と非定常流）

一言で表すと、、

流体の流れを時間的変化に基づいて分類すると、定常流と非定常流に分けられます。定常流では、時間とともに流体の性質が変わらないのに対し、非定常流では時間とともに変化します。

概要

流体の流れは、さまざまな条件や環境に応じて多様な挙動を示します。その中でも、流れが時間的に変化するかどうかは、流体力学において重要な分類基準の一つです。これに基づき、流れは大きく「定常流」と「非定常流」に分類されます。

定常流では、任意の時刻において流れの速度や圧力が一定であるのに対し、非定常流ではこれらが時間とともに変動します。これらの違いを理解することは、流体解析やシミュレーションを行う際に非常に重要です。

イメージ

定常流をイメージすると、例えば川のゆっくりと流れる部分を思い浮かべてください。この場合、流れの速度や水深はほとんど変わらず、一定のパターンが維持されています。

一方、非定常流の例としては、川に大雨が降った後の急激な水位上昇や流速の変化が挙げられます。このような流れでは、時間とともに流れの特性が著しく変わります。

定義

定常流: 流体の流れの各点で、速度や圧力、密度などの流体の物理的特性が時間的に変化しない流れを指します。これらの物理量が時間に依存しないため、同じ条件下で観察すれば、いつ見ても同じ流れの状態が維持されます。

非定常流: 流体の流れの各点で、速度、圧力、密度などの物理的特性が時間とともに変化する流れを指します。この場合、時間経過によって流れの状態が変わり、流速が増減したり、渦が発生したりすることがあります。

CAEにおける重要性

CAE（Computer-Aided Engineering）において、流れが定常か非定常かを理解することは解析の精度に大きく影響します。定常流の解析では、時間に依存しないため、計算が比較的簡単で迅速に行えます。

一方、非定常流の解析は、時間軸を考慮した計算が必要で、複雑なモデルや細かい時間ステップを用いたシミュレーションが求められます。非定常流解析は計算資源を多く消費しますが、実際の流体挙動をより正確に再現することが可能です。

物理的意味合い

物理的には、定常流はエネルギーのバランスが安定している状態を示し、長期間にわたって一定の条件が維持される流れです。

一方、非定常流は外部からのエネルギーの投入や損失が時間とともに変化し、それによって流体の挙動が変動することを意味します。非定常流は、流体が動的な環境下でどのように反応するかを理解するための重要な指標です。

まとめ

定常流と非定常流の違いを理解することは、流体力学の基礎であり、CAE解析においても非常に重要です。定常流は時間に依存しない安定した流れを、非定常流は時間とともに変化する流れを示します。これらの流れの特性を正しく把握することで、より精度の高い解析とシミュレーションを行うことが可能になります。