流体力学における乱流現象と解析モデルの基礎

乱流（らんりゅう、英: turbulence）は、流体の流れ場の状態の一種であり、規則正しい流れである層流とは対照的に、不規則で乱れた流体の動きを特徴とします。乱流の確立した厳密な定義は現時点においても存在しませんが、数学的にはナヴィエ・ストークス方程式の非定常解の集合であるということができます。

層流と乱流のおおよその区別はレイノルズ数によって判断され、レイノルズ数の値が大きい場合に乱流へと遷移します。層流が乱流に遷移するときのレイノルズ数は臨界レイノルズ数と呼ばれます。

自然界および工学における乱流

生活の中で見られる空気や水の流れの多くは乱流です。熱や物質を輸送して拡散する効果が非常に強いため、工学的にも極めて重要な現象となっています。

気象や大気力学においては、乱気流、地球大気圏の境界層、対流圏上層部のジェット気流などが挙げられます。また、天文学では太陽の光球や星雲などにおいても見られます。工学的な応用としては、自動車等の空力設計、ゴルフボール表面のディンプルによる飛距離延伸、新幹線電車のパンタグラフ周辺の騒音低減などが挙げられます。

乱流モデル

高レイノルズ数の乱流を直接シミュレーションするには高い計算機性能が要求されるため、スーパーコンピュータなど高性能計算（HPC）の重要な用途となっています。数値流体力学においては、解析の困難さを克服するために以下のような乱流モデルが利用されます。

• RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations）
• LES（Large Eddy Simulation）
• DES（Detached Eddy Simulation）