形と流れのシミュレータ

使い方

1. 形を選ぶ：円柱・平板・流線形・翼（迎え角 8°）・車（箱形）から選びます。左から右へ、一様な流れが当たります。
2. 形を変える：輪郭の青い点を、ドラッグ（スマホは指で引っぱる）すると、形が変わります。流れは、変えた形に合わせて計算し直されます。「形を元に戻す」で、選んだときの形に戻ります。
3. 輪郭：「なめらか」は点を曲線で、「角ばる」は直線で結びます。同じ点でも、角があると流れがはがれやすくなります。
4. 流れの速さ：レイノルズ数（流れの勢いと、ねばりの比）を 50〜1,000 で変えられます。円柱なら、ゆっくりした流れでは渦が大きく伸びて揺れ、速くなると上と下から交互にはがれます（カルマン渦）。
5. 見せるもの：煙の線（入口から流し続けた線）、渦の色（青と赤で回る向き）、流れに乗る赤い点を、1つずつ消せます。「止める」で計算を止められます。
6. 抗力係数：物体が受ける抵抗を、前から見た高さを基準にした数で出します。黒い縦線は、同じ速さの円柱の値です。形を替えてから流れが落ち着くまで、数十秒かかります。

試してみよう

• 「円柱」のまま見る。うしろで、上と下から交互に渦がはがれて流れていきます。
• 「平板」に替える。渦が大きくなり、交互にはがれ始めると、抗力係数は円柱の2倍をこえます。
• 「流線形」に替える。流れが面に沿ったままうしろで閉じ、渦は細く弱くなります。抗力係数は円柱の約半分です。
• 流線形の尾の近くの点を、上や下へ引っぱって太らせる。流れがはがれやすくなり、渦と抗力が大きくなります。

できること・できないこと

• 計算の方法：格子ボルツマン法です。画面を 320 × 128 のますに分け、流体の粒の集まりが流れてぶつかる様子を、1歩ずつ計算します。細かい乱れは、ねばりを足す方法（Smagorinsky のモデル）でならしています。
• 遅い流れであること：計算できるのは、渦の出方が目で見える「遅い流れ」（レイノルズ数 50〜1,000）です。100 km/h の車（レイノルズ数 約1,000万）では、はがれ方の細部が変わり、流線形にしたときの抵抗の減り方は、この盤よりずっと大きくなります（遅い流れでは、表面をこする抵抗の割合が大きいため）。
• 壁があること：上下は、流れをすべらせる壁です。物体との間が狭いぶん、広い所より抵抗が大きめに出ます。物体は流れの真ん中に浮いていて、地面はありません。
• 平面の流れであること：奥行きのない、2次元の流れです。実物の車や翼の、横から回り込む流れは入りません。
• これは、形と流れの関係をつかむための道具です。設計の数字には使えません。

関連する単元

抗力の公式と、速さの2乗・3乗の話は、抗力の単元で読めます。流れの勢いとねばりの比は、レイノルズ数の単元へ。