流体解析ソフトの最適な選び方を徹底解説！おすすめの製品も紹介

選び方に入る前に、流体解析ソフトが何を担うのかを押さえます。ここが曖昧なままだと、使わない物理モデルにまで費用を払うことになりかねません。三点に絞って確認しましょう。

流体解析ソフトが担う業務

流体解析ソフトは、空気や水などの流れを計算で再現するソフトウェアです。主な対象は、ポンプや配管の圧力損失、ファンの風量になります。空調ダクトの温度分布や、車体まわりの空力も扱えます。

試作機を作って測る前に、形状を変えながら性能を比べられる点が価値です。伝熱をともなう共役熱伝達や、気液二相・キャビテーションのような難しい現象まで扱える製品もあります。解析の精度は、形状を区切るメッシュと物理モデルの選び方によって大きく変わります。

解析対象で変わる必要な機能

必要な機能は、自社が扱う流れの種類で大きく変わります。単相の流れと圧力損失、伝熱が中心なら、対応範囲の広い汎用の製品であればおおむね候補に入るでしょう。

気液二相や自由表面、キャビテーションを扱う場合はどうでしょうか。ここではVOFやEulerianといった混相モデルの実装と、検証の実績が論点になります。燃焼や化学反応では、反応スキームや輻射の扱いが要ります。混練・押出のような高粘性の流体なら、レオロジーを扱えるかどうかが重要になるでしょう。

選定でつまずきやすい理由

流体解析ソフトはカタログの機能一覧が似通っており、机上では差が読み取りにくい分野です。対応をうたっていても、自社の形状を実用的な時間内に解けるとは限りません。

差が出るのは運用面です。複雑形状のメッシュ作成にどれだけ手がかかるかは、製品によって大きく違います。並列計算をどこまで広げられるかも同じです。ここはカタログに載らない部分といえるでしょう。だからこそ、軸を先に決めてから製品を見る順序が要ります。

編集部コメント：製品を先に見ると、対応物理の多さで判断してしまいがちです。自社の代表的な解析対象を一度棚卸しし、難しい現象が年に何件あるのかを数えてみてください。その件数から、物理モデルにどこまでの網羅性を求めるべきかを判断できます。

流体解析ソフトは、流れを解くソルバー方式で三つに分かれます。この分類を押さえておくと、候補を比較しやすくなります。まず全体像をつかみましょう。

• 有限体積法（FVM）型
• 有限要素法（FEM）型
• 粒子法・格子ボルツマン法型

有限体積法（FVM）型

多くの商用ソフトが採用する方式で、汎用の流体解析ソフトの主流です。計算領域を細かな体積に区切り、そこへ出入りする量を積み上げて解きます。

保存則を満たしやすく、非構造格子にも対応できるため、適用範囲が広い点が持ち味です。ポンプや空調から燃焼・混相まで、扱える現象の幅が最も広い系統といえます。乱流モデルや共役熱伝達といった基本の機能も、ひととおり備わっています。迷ったらこの系統から候補を挙げると、あとで対象を広げるときにも困りません。

有限要素法（FEM）型

構造解析と同じ考え方で流れを解く方式です。計算領域を要素に分け、節点の値を補間しながら解を求めます。要素の品質が多少崩れても計算が破綻しにくく、複雑形状に対して頑健に回ります。

構造解析の要素分割を流用しやすい点も持ち味でしょう。流体構造連成を前提とする現場とは、相性がよい方式です。一方で、この方式を採る製品の数は多くありません。周辺のCAE基盤と揃えられるかを含めて検討しましょう。

粒子法・格子ボルツマン法型

メッシュに頼らずに流れを解く系統です。粒子法は水や飛沫のような自由表面の大変形に強く、タンクの揺動や液のかかり方を追うのに向きます。

格子ボルツマン法は、格子上の分布関数を進める方式です。車両まわりの外部空力のような、大規模な非定常計算を高速に回せます。どちらも汎用ではありません。汎用の製品と組み合わせるか、複数の方式を束ねた製品群で揃える形が現実的でしょう。

同じ流体解析ソフトでも、何をしたいかで優先すべき軸が変わります。製造業でよくある三つの目的を取り上げました。自社に近いものから読んでください。

混相・燃焼などの難条件を解きたい

まず、物理モデルの網羅性と検証実績を優先して確認しましょう。気液二相やキャビテーション、燃焼、回転機械は、モデルの有無で解けるかどうかが左右されるためです。

確認するのは三点です。VOFやEulerianの混相モデル、反応スキームや輻射の扱い、回転領域の設定方法になります。加えて、自社に近い形状での検証事例が公開されているかも見ておきましょう。この領域は計算規模も大きくなるため、並列計算の拡張性まで含めた評価が要ります。

設計者が手元で短期間に立ち上げたい

自動メッシュの完成度と日本語の資料の厚みを軸に選びます。設計業務の合間に回す前提では、設定に何日もかけられないためです。

複雑形状を投げても破綻しにくい自動メッシュか、境界層の格子まで自動で作れるかを確かめてください。操作画面から結果の可視化までが一つの環境で完結すると、覚える範囲も狭く済みます。国内での対面研修や伴走支援の有無も、立ち上がりの速さを左右する条件になるでしょう。

多物理の強連成で現象を探索したい

連成の方式と拡張のしやすさを軸にします。流れに加えて伝熱や構造、電磁、音響まで扱うなら、単一の環境で双方向にやり取りできるかが効きます。

ここでは、対象物理をモジュールで足せるか、CADと連携して形状を振りながら回せるかを確認しましょう。あわせて連成の深さも見極めます。双方向の強連成が要るのか、片方向で足りるのかで必要な製品の格が変わります。薄板の振動のような現象では、双方向のやり取りが欠かせません。

誰が使うかによって、重視したい操作性や計算規模の条件は異なります。流体解析を日常的に扱う三つの部門で整理しました。複数部門で共有する場合は、条件の厳しいほうに合わせます。

設計部門

設計者が本来の業務と兼任で回す部門です。ここでは操作の覚えやすさと、前処理にかかる時間が判断を分けます。

形状を変えるたびにメッシュを作り直す手間が大きいと、設計の検討サイクルに解析が追いつきません。自動メッシュの完成度と、CADからの形状取り込みの手軽さを確かめてください。結果の読み取りを支える可視化機能や、社内で共有できるレポート出力の使い勝手も見ておきましょう。

解析専任部門

難条件の解析を引き受ける専任部門では、物理モデルの網羅性と計算規模の上限が優先されます。操作の習熟には時間を割ける前提で選べるためです。

混相・燃焼・回転機械のモデルがどこまで揃っているか、検証事例が公開されているかを確認します。あわせて並列計算の拡張性も論点です。標準ライセンスで使える並列数には上限があり、本番運用では追加の購入が前提になる製品もあります。GPUを使えるソルバーの有無も、大規模な計算では確認したい点です。

研究開発部門

新しい現象や独自のモデルを扱う部門では、拡張性が重く効きます。既製の物理モデルだけでは、狙う現象を表しきれない場面が出てくるためです。

ソースコードに手を入れて、独自モデルを組み込めるかを確かめてください。対象物理をモジュールで足していける構成かどうかも見ます。パラメータを振って多数の条件を自動で回せる仕組みも、探索の効率を左右します。ここは内製で育てる方針と相性がよく、人を育てる計画とセットで考える領域です。

企業規模そのものより、規模から来る制約が判断を分けます。専任者の有無、計算機の持ち方、稟議の通し方の三点です。自社の体制に近いところを見てください。

中小企業

解析の専任者を置けない前提で選びます。設定もトラブル対応も設計者自身が抱えることになるためです。

日本語の資料が厚く、国内の窓口が近い製品が向いています。導入時の初期設定や操作研修を支援してもらえるかも、あわせて確認したい条件です。計算機は手元のワークステーション1台から始める形でよいでしょう。並列計算が必要になってからクラウドで借りれば、初期の負担を抑えられます。

中堅企業

解析の担当者が数名おり、部門をまたいだ利用が始まる規模です。ここからはライセンスの使い方と計算資源の割り振りが課題になります。

必要なときだけ融通し合えるライセンス形態か、並列計算にどれだけ追加費用がかかるかを確認しましょう。解析件数に繁閑の差が大きいなら、計算機を抱え込まずクラウドで賄う選択肢もあります。解析手順の標準化も、この規模から重要になります。拠点をまたいで使うなら、ライセンスの置き場所も先に決めておきましょう。

大企業

拠点をまたいだ標準化と、既存のCAE基盤との整合が判断を左右します。解析資産の蓄積が大きく、乗り換えの影響範囲も広くなるためです。

構造や電磁など他のCAEと基盤を揃えられるかを、先に確認しておくと安心です。社内の計算機環境で並列をどこまで確保できるかも確かめます。稟議では単価より、数年分の総額と移行費用が問われるでしょう。全社一斉ではなく、部門単位で段階的に広げる進め方も検討に値します。

目的・部門・規模で方向が見えたら、具体的な条件に落とし込みます。ここからは順番が大切です。上から順に確認すると、手戻りが減ります。

• 解析対象と要求精度を棚卸しする
• 必要な連成の範囲を見極める
• メッシュ生成の手間を試用で実測する
• 商用かオープンソースかの方針を決める
• ライセンスとHPCを含む総額を出す

解析対象と要求精度を棚卸しする

最初に決めるのは、どの現象を何件、どの精度で解くかです。単相の流れと伝熱が中心なのか、混相や燃焼が日常的に出てくるのかで、必要なモデルが変わります。

あわせて年間の解析件数と、1件あたりの規模も仮置きしてください。この二つが決まらないと、必要な計算資源も総額も出せません。将来3〜5年で扱う物理を広げる計画があるなら、その分も棚卸しに含めておきましょう。要求精度は、試験の結果とどこまで差を許容するかで決めます。

必要な連成の範囲を見極める

流れ単独で完結する解析は、実際には多くありません。伝熱や構造変形、電磁、音響との連成がどこまで要るかを、この段階で見極めます。

確かめるのは連成の方式です。双方向でやり取りする強連成が要るのかを、まず切り分けてください。熱から構造へ順に渡す片方向で、実用に足りる場面も少なくありません。強連成と決め込む前に片方向で足りるかを確かめると、過剰な投資を避けられます。

メッシュ生成の手間を試用で実測する

流体解析の工数は、ソルバーの設定よりメッシュ生成に集中しがちです。ここを机上の対応表で判断すると、導入後に解析が回らなくなります。

自社の代表形状のうち最も複雑な品種を1〜2点用意し、試用やベンチマークで実際に作らせてください。見るのは三点です。自動メッシュが破綻しないか、境界層の格子を自動で作れるかを確かめます。領域ごとに密度を指定できるかも要ります。作成にかかった時間は、必ず記録しておきましょう。

商用かオープンソースかの方針を決める

この分岐は費用だけの問題ではなく、解析能力を組織としてどう育てるかの方針の問題です。決め方を誤ると、導入後に人手が足りず、ソフトを十分に活用できない可能性があります。

オープンソースはライセンス費がかからず、コードに手を入れて独自モデルを組み込めます。その代わり、メッシュ作成も設定も検証も自前で回す負担が残るでしょう。商用は検証済みのモデルと自動化、窓口のサポートが揃い、立ち上がりが速い一方で費用がかかります。

ライセンスとHPCを含む総額を出す

単年のライセンス額ではなく、3〜5年の総額で比べてください。多くの商用製品では、本体のライセンスだけでは足りません。並列実行するコア数に応じた課金や、専用パックの購入が前提になります。

総額にはライセンス、並列計算の費用、導入支援、教育、保守を積み上げてください。並列規模を絞りすぎると計算待ちが延び、担当者の手が空く逆効果になります。試用で1件あたりの計算時間を測り、年間件数から必要な規模を逆算してから見積もりを取りましょう。

製品データとして数値化できる4項目を、製造業適合性スコアで横並びにしました。

工程管理・品質管理・現場操作性・中小適合の4つを、5段階で評価しています。並びは中小適合の高い順です。下へ向かうほど、想定する企業規模と導入の重さが上がります。評価が設定されていない項目は「－」としています。

スコアは製品データの登録値にもとづくもので、絶対的な優劣を示すものではありません。製品ごとの詳しい比較は流体解析ソフトの比較記事で扱っています。

導入でつまずく組織には共通したパターンがあります。事前に知っておけば、稟議の段階で対策を示せるはずです。よくある四つを回避策とあわせて挙げます。

将来の物理まで求めて過剰投資する

当面は単相と伝熱が中心なのに、いつか使うかもしれない混相や燃焼まで求めるケースがあります。上位の構成をそろえても機能を持て余し、費用だけが積み上がります。

回避策：代表品種で解析対象を棚卸しし、難条件が年に何件出るかを数えてください。頻度が低いなら、その案件だけ外部の受託解析に出す手もあります。必要十分な範囲で選び、広げるのは実績が出てからにしましょう。3〜5年で扱う物理を広げる計画が具体的にあるなら、その分は織り込みます。

メッシュ作成の工数を見落とす

ソルバーの機能だけで選ぶと、複雑形状のメッシュ作成に想定外の時間がかかり、解析が回らなくなります。導入したのに使われない状態を招きます。

回避策：試用の段階で、自社の代表形状のメッシュ作成を実測してください。作成にかかった時間と、途中で手直しが要った箇所を記録します。カタログの対応表では見えない差が、ここではっきり出ます。境界層の格子まで自動で作れるかは、とくに違いが出やすい部分でしょう。

オープンソースを人手なしで導入する

よくあるのが、ライセンス費がかからない点に惹かれて導入する例です。メッシュ作成や設定、検証を回せる人材がおらず、解析が進まない状態に陥ります。費用ゼロのつもりが、人件費で高くついてしまいます。

回避策：内製の人材を育てる計画か、国内のサポート企業の活用を前提にしてください。そのうえで、人にかかる費用まで含めて商用と比べます。数字を並べれば、額面に引きずられずに判断できるでしょう。

HPCの費用を後回しにする

並列計算の費用を見落としてライセンスだけ確保すると、運用が行き詰まります。計算待ちが慢性化したり、追加の予算が膨らんだりします。解析の担当者も手待ちになるでしょう。

回避策：年間の解析件数と1件あたりの規模から、必要な並列規模を先に見積もってください。ライセンスと並列の費用は、必ずセットで予算化します。繁閑の差が大きいなら、クラウドで必要なときだけ確保する形も比べましょう。

流体解析ソフトの選定は、解析対象の棚卸しと、使う人の確認から始まります。この二点で必要なモデルの幅と操作環境の方向が変わるためです。種類は有限体積法型・有限要素法型・粒子法や格子ボルツマン法に分かれます。

方向が定まったら、五つの条件を順に当てていきましょう。解析対象と要求精度、連成の範囲、メッシュ生成の実測が先に来ます。続いて商用かオープンソースかの方針、総額の順に確認します。よくある失敗は、過剰投資・メッシュの見落とし・人手不足・並列費用の後回しの四つです。いずれも軸のどれかを後回しにした結果です。

製品ごとの比較は流体解析ソフトの比較記事、用語や仕組みは流体解析の解説記事で扱っています。