数値流体力学（Computational Fluid Dynamics : CFD）は、複雑な問題を解決するための知見を提供する解析の一種であり、エンジニアは実際の実験を行うことなく、設計における流体の流れの影響を検証することができます。
CFDは、偏微分方程式（PDE）やナビエ・ストークスなどの数学的原理を自動化することで、3Dモデル上での空気力学、熱伝導、乱流などのシミュレーションを可能にします。
CFD解析は、建築、車両設計、石油工学、外科学、気象学など、さまざまな業界で幅広く利用されていることから、日常的な実世界での応用に役立つことがわかっています。
この形式の解析にはまだ継続的な改善が必要ですが、技術（とそれを実行する人）は日々進歩しています。
CFDソフトウェアソリューションにより、建築家は安全でより快適な生活環境を設計でき、自動車設計者は製造する自動車の空力特性を改善できます。また、外科医は血行力学を計算することで動脈疾患を治療することができ、気象学者は天気をより正確に予測し、差し迫った自然災害を警告することができます。
CFD解析は、前処理、処理、後処理の3つのステップで構成されていますが、ここではそれぞれのステップについて簡単にご紹介します。
前処理は、CFDシミュレーションの最初のステップです。前処理が適切に行われていれば、シミュレーションのパラメータを正確に定義することができます。
このステップでは、対象のドメインを特定し、それをいくつかの小さなセグメントに分割する必要があります。これには、ジオメトリの準備、メッシュ作成、関連する材料のプロパティの定義、境界層と条件の設定が含まれます。
前述したように、CFD 解析は設計者がどれだけ正確にモデルをセットアップ（またはプリプロセス）できるか、つまり、初期設計が後の解析段階でモデルに影響を与えるため、実装者の能力にかかっています。
設計者は、幾何学的モデルにエラーや欠陥がないことを確認することが重要です。
準備後のモデルは、上記のエラーがない「閉じた」ソリッドである必要があります。この準備が完了すると、CFD解析のための前処理にいくつかのステップが追加されます。
問題分析は、シミュレーションの基礎です。目的やパラメータを適切に定義するためには、解決しようとしている問題を理解する必要があります。
「私が解決しようとしている問題の物理学的性質は何か」と自問してみてください。圧力の変化に合わせて静脈を流れる血液の層流と乱流を分析しようとしていますか？あるいは、新しいデザインのキッチン用品の熱伝導を評価しようとしているのでしょうか？
問題を正確に分析することで、シミュレーション結果に誤ったデータが含まれないように、適切な属性でモデルを定義することができます。
物理学の定義ができたら、問題分析に応じて2次元または3次元のジオメトリを作成する必要があります。
一部の問題は2次元で解決できるため、計算の必要性が減り、時間とコストを節約できます。 Autodesk Inventor、Spaceclaim、CATIA、Solidworks、Design Modelerなどのツールは3次元モデルに適していますが、DesignModelerとGAMBITは2次元のニーズに適しています。
メッシュ処理は、不適切な処理を行うと解析に連鎖的な影響を及ぼす可能性があるため、細心の注意が必要です。このステップでは，環境の物理ドメインをセル、またはコントロールボリュームと呼ばれる定義済みの領域に設定します．
これらのセルは、セルを支配する内部の流体の流れの方程式によってさらに定義され、設計者はその流れのプロファイルについて経験的な仮定を立てる必要があります。（常に粗いメッシュから始めて、特定の領域について時間をかけて詳細化するのが最善です。）
多くの設計者は、これらのセルをできるだけ小さくすることで、解析全体の精度を確保することができると考えています。
この段階では、解決したい問題の条件を定義する必要があります。 たとえば、過渡的な単相、定常または多相、乱流モデル、流体タイプ、境界条件などです。
数値解法はあらかじめ設定されているので、問題の物理的性質を知ることは不可欠です。さらに、その手法がどのように機能するかを知っておく必要があります。処理に関しては、収束に向けて使用するプロセッサや必要な反復回数を選択することができます。
前処理の最後のピースは、セットアップの検証です。これは、実験や分析の結果を評価することで実現できます。結果が実際に正確であることを証明する前に提案することは難しいため、問題の物理学を理解しているかどうかがここでの違いとなります。
スペイシャルのソフトウェア開発キットは、次のような前処理を高速化し、改善することが可能です。
CFDプログラムによるすべてのシミュレーションプロセスは、定義された一連のステップに従わなければなりません。つまり、シミュレーションは、遵守すべき一連のステップなのです。これらのガイドラインを設定することで、後続のステージで行き詰まったり、エラーメッセージが表示されたりするのを防ぐことができます。
最後に、これらのステップはそれぞれ相互に依存しているため、適切な前処理が非常に重要になります。
シミュレーション段階で結果が出たら、次はその結果を分析します。ベクトルプロット、コンタープロット、データカーブ、ストリームラインなどの利用可能な方法を使って、これを実現します。
そうすることで、正確なレポートやグラフィック表現を得ることができます。後処理段階で使用される一般的なソフトウェアツールには、EnsSight、ANSYS CFD-POST、ParaView、FieldView、Tecplot 360などがあります。 この段階でのプロセスは次の通りです。
数値流体力学は、流体の流れのモデリングに広く適用されており、ウォーターポンプを通る層流や乱流の分析、船の抗力の低減など、さまざまな機械、ツール、コンポーネントを設計する上で重要なステップになっています。
経験則上、CFDは実際のテストに取って代わるものではありませんが、プロトタイピングやテストに必要な実験の数を減らすことができます（それに伴い、全体的なコストとリスクも削減されます）。
CAD環境でCFD解析を行うことで、エンジニアや設計者、科学者は、物理的に作成する前に流体の特性を視覚化することができ、従来の実験に比べて多くのメリットを得ることができましたが、これはほんの一部で、近い将来、さらに多くの可能性が出てくるでしょう。
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