気象および水象に対する効率的な数値シミュレーション法の開発

摘要

住友化学株式会社ではサステナブル社会の実現に向けて大気環境保全、ならびに水環境保全の一層の推進に取り組んでいる。環境問題はSBT(Science Based Targets)に基づt 、てさまざまなイノべーションを具体的に推進しなくてはならない。シミュレーションは環境を評価する強力なッ一ルとなり得る。最も精度が高いツールの一つに流体力学に基づいた三次元シミュレーション（以下、CFD：Computational Fluid Dynamics)があり、複杂隹な条件(地形、放出方法、多次元的な環境場など）を考慮しながら定量的に評価できる。一方で大きな課題となるのが計算機資源の問題である。CFDは三次元空間を計算格子または粒子（空間に分解するべき要素サイズ）に分割して離散化した偏微分方程式を解く手法が主流となっている。したがって計算負荷はその格子数または粒子数に強く依存する。工業装置規模の計算で106~107オーダーを使用し、2020年時点での世界的な記録でも10~(12)ォーダーで推移している。もちろん現在も計算機は飛躍的進展を遂げており、今後も性能向上が期待できるが、環境規模（kmスケール）のシミュ レーシヨンを使い勝手良くするにはかなりの時間と費用が必要である。したがって、環境シミュレーション分野の多くでは市販CFDソフトは実用性が低いとみなされ、統計平均を施したモデルが使用される。例えば、TRACE2)、 ALOHA、 METI-LIS4)などのソフトウエアは乱流拡散に沿うように係数を調整した拡散モデルを採用しており、速く計算できるのでリスクスクリーニングとして使用されている。ただし、統計平均操作によって多次元的な地形や細かな入力情報が消失するので、常にモデル検証の議論が必要になる。本稿の目的は、一般的な市販CFDソフトが持つ計算負荷の課題を克服するいくつかの計算手法を提供することにある。具体的には以下の二手法を紹介する。(1)構造格子で曲がった流路形状を組み込む方法（改良カツトセル法）(2)高ァスぺクト比の格子を用いて流れを安定的に解く方法。