OpenFOAMが発散したとき、最初に確認したい5つのポイント

OpenFOAMで解析をしていると、

- 残差が突然大きくなる

- 途中まで進んでいた計算が止まる

- Courant数が急激に上がる

- 何を変更しても安定しない

といったことがあります。

こういうとき、設定ファイルを片っ端から変更するよりも、確認する順番を決めて原因を切り分ける方が効率的です。

今回は、OpenFOAMの計算が不安定になったときに、私がまず確認する5つのポイントを紹介します。

1．Courant数を確認する

非定常解析では、まず確認したい項目です。

特にVOF法などの気液二相流では、局所的に流速が大きくなることでCourant数が上昇し、計算が不安定になることがあります。

例えば、

- deltaT

- adjustTimeStep

- maxCo

- maxAlphaCo

などを確認します。

「最初は安定しているのに、途中から急に崩れる」というケースでは、発散直前のCourant数を見るだけでも原因を絞れることがあります。

2．メッシュ品質を確認する

次に確認するのがメッシュです。

checkMeshを実行すると、

- non-orthogonality

- skewness

- aspect ratio

などを確認できます。

ただし、checkMeshでFatal Errorが出なければ必ず問題ない、というわけではありません。

品質の悪いセルが、

- inlet付近

- 狭い流路

- 急拡大・急縮小部

- 気液界面が大きく変形する場所

などに存在すると、計算が不安定になることがあります。

数値だけでなく、問題のセルが「どこにあるか」も重要です。

3．境界条件を確認する

意外と原因になりやすいのが境界条件です。

例えば、

- inlet / outletの速度条件

- pまたはp_rgh

- turbulence関連変数

- alpha.waterなどの体積率

の組み合わせを確認します。

特に、以前作ったケースから設定をコピーした場合は注意が必要です。

設定自体に間違いがなくても、今回の流れ場には合っていないことがあります。

また、出口付近で逆流が起きるケースでは、outlet側の境界条件が不安定化の原因になる場合もあります。

4．初期条件を確認する

計算開始直後に発散する場合は、初期条件も確認します。

例えば、

- 初期速度と入口速度の差が大きい

- 圧力場が不自然

- 初期界面の位置が適切でない

- 計算開始直後から流量が大きい

といったケースです。

最終的に与えたい条件が物理的に正しくても、数値計算としては「最初の一歩」が厳しすぎる場合があります。

その場合は、

- 時間刻みを小さくする

- 初期流速を見直す

- 徐々に流量を上げる

- 初期界面を見直す

などが有効なことがあります。

5．発散する直前のログを見る

個人的には、ここがかなり重要です。

「発散した」という最後の状態だけでなく、

発散する少し前から、何が変化していたか

を確認します。

例えば、

- Uの残差が先に悪化している

- p_rghが急激に変化している

- Courant数が徐々に増えている

- continuity errorが蓄積している

- alphaの計算が不安定になっている

といった兆候が見つかることがあります。

これを見ることで、

原因になった現象と、その結果として発散した変数

を切り分けやすくなります。

一度に全部変更しない

計算が発散すると、

「時間刻みを変えて、solverを変えて、境界条件も変えて……」

と一度にいろいろ変更したくなります。

ただ、それで計算が安定しても、結局どこが原因だったのか分からなくなります。

私は基本的に、

1. ログを確認する

2. 原因の仮説を立てる

3. 変更点を絞る

4. 再計算して確認する

という流れで切り分けています。

OpenFOAMは自由度が高い分、トラブルが起きたときに「どこから見ればいいのか分からない」状態になりやすいソフトです。

逆に、確認する順番を決めておくだけでも、かなり原因を探しやすくなります。

ココナラでは、

- ケースは動くが途中から不安定になる

- 発散原因の見当がつかない

- 境界条件や時間刻みが妥当か確認したい

- ログのどこを見ればいいのか分からない

といった既存OpenFOAMケースについて、設定やログを確認し、原因候補と次に確認する項目を整理するサービスも出品しています。

解析を一から作り直すのではなく、

「まず、どこを疑えばいいのか整理したい」

という段階で利用してもらうことを想定しています。