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5.2 数値解法の一例(差分法)

 差分法は最も古くから用いられている方法で、すでに
1930年代に流れの計算方法として、”手まわし式の
計算機”により使用された実績をもっています。

たとえば図12は、図11の任意の点Pにおける
式(10)の濃度Cの時間変化を示したものです。

図12 濃度Cpの時間変化

 
すると式(10)の時間項は図12の時刻tにおける
接線の傾き(図12中の矢印)に相当しますが、差分法では
これを次式のような微小変化量の割算の形に置き換えます。

     ・・・(12)

 
ただしCtは時刻tでのCであり、Δtはタイム・ステップ
(または時間刻み)と呼ばれる時間微小変化量です。
すなわち式(12)は図12における接線の傾き
微小変化量の割算で近似していることになります。
理論的には、式(12)は濃度Cの時刻tのまわりで、
テイラー(Taylor)の定理により展開した次式から
説明できます。 ただしCは単調変化するものとし、
Δtは十分小さい量であると仮定します。

 (13)

  すなわち式(12)は式(13)におけるΔtの二乗
以上の項を無視した形から導かれますが、結局
式(12)よりΔtで割算をしていますのでその主要な
誤差はΔtのオーダとなり、式(12)は一次近似の
差分式
とよばれます。

式(13)での高次の項を含めればさらに近似の
精度は高くなりますが、同時に計算式は複雑
なります。 式(10)の他の項についてもテイラーの
定理
に基づいた差分法の考え方により定式化すれば
よいのですが、一般的には汎用流体解析ソフトウェア
の開発は難しく、いわばプロフェッショナル向きの
数値解法もいえましょう。

 最終的には図10のように連立方程式を解く場合
(陰解法)と解かなくてもよい場合(陽解法)の
二通りの定式化が考えられます。また計算領域の
メッシュ分割では一般的には図11(a)に示すように
正方形等で近似することが多いので複雑な境界をもつ
計算対象の場合には一般に困難と考えられています。

(もちろん種々の工夫をすることによりその取り扱いは
可能ですが、非常に複雑な処理が必要となります)