空氣動力學 | 豐田借力仿真穿越天地之間

工程師之間的協作通常會帶來創新，而豐田汽車公司的工程師通過與航空競賽團隊的合作，擴展了他們對汽車空氣動力學的了解。此次特別的合作采用了Ansys仿真技術，可同時提高飛機與汽車的空氣動力方面的性能。

(資料圖片)

豐田汽車公司負責CAE技術研發的中江雄亮(Yusuke Nakae)一直與豐田的JSOL公司合作，使用Ansys LS-DYNA進行流體分析，測量車輛行駛時產生的空氣動力以及該力如何影響車輛的穩定性。通過利用參照以往的汽車仿真經驗改進航空競賽飛機，然后根據在航空競賽飛機上獲得的成功經驗對雷克薩斯汽車進行改進，中江的團隊實現了使用傳統方法無法得到的分析。

從傳統到實驗空氣動力學

車輛空氣動力學的傳統測試方法，包括在汽車靜止時向其施加風力，然后通過實驗和計算測量變化情況。中江團隊想了解汽車在運動時與靜止時的空氣外力有何不同，這啟發了中江團隊嘗試對運動的車輛進行分析。具體而言，他們希望使用LS-DYNA對車輛變道時的空氣動力形態進行仿真。

正常分析（汽車靜止時施加風力）獲得的結果與汽車運動時獲得的結果截然不同。然而，在駕駛汽車時測量空氣作用力仍然是一大挑戰?即使在風洞中也是如此。中江團隊希望使用仿真定量分析空氣動力差異。由于豐田以LS-DYNA作為標準工具進行碰撞安全性能分析，而LS-DYNA也具有流體分析功能，該團隊認為，如果他們可以為其模型添加流體分析功能，就可以創建一種使用單個求解器分析多個物理特性的理想環境。

雷克薩斯贊助了參加紅牛特技飛行錦標賽的室屋義秀(Yoshihide Muroya)。2017年，中江團隊首次在比賽前測試了他們關于飛機空氣動力學的理論。

飛機空氣動力學結果有利于汽車設計

在飛機領域，空氣動力學分析通常在靜止狀態下進行，因此讓航空競賽團隊將汽車仿真中使用的知識和專業技巧應用于飛機競賽設計確實是一大挑戰。

部分問題在于空氣速度的差異。

飛機速度非常快（螺旋槳飛機以每小時350公里的速度飛行），而汽車速度很慢，以每小時100公里的速度行駛。此外，飛機是流線型的，而汽車則不是，所以其基體周圍的空氣流動是完全不同的。這意味著研究人員無法準確計算空氣動力，除非他們能夠再現空氣的流動（尤其是在湍流條件下）。

機翼的空氣動力學仿真

幸運的是，目前有大量關于飛機機翼的實驗數據，因此中江團隊可以選擇適當的湍流模型開展飛機應用分析。

該團隊仿真了不同運動導致的不同的空氣動力，他們采用高性能計算機進行復雜的計算、編譯數據、可視化，并與航空競賽團共享。

在航空競賽期間，團隊對飛行技術進行測試，分析他們所記錄的數據，然后對更新的技術進行迭代測試。一位參賽對手甚至注意到室屋盤旋半徑更大而其總時間卻減少了。

航空競賽結果給新雷克薩斯汽車帶來了靈感

豐田/雷克薩斯從此經驗中獲益匪淺。

“我學會了如何控制渦流，從氣動阻力的角度而言，有必要避免產生渦流，”中江說道。“我通過試驗不同形狀的小翼并進行仿真分析，確定了空氣阻力最小的小翼設計，獲得了如何控制渦流的經驗。”

在汽車應用方面，團隊獲悉在汽車周圍產生有效渦流可以提高其動態性能。事實證明，實際性能與他們的理論構想的一樣出色，并借此在一月份推出了雷克薩斯LC 500 Inspiration系列車型。這款限量版車型將471馬力V8豪華旅行轎跑車提升到全新水平。受航空競賽啟發的一個重大升級是碳纖維增強塑料后擾流板，該裝置模仿倒置的一種飛機機翼，其翼尖處產生渦流，可提高機動性和效率。

展望未來

雖然紅牛特技飛行世界錦標賽于2019年取消，但中江團隊將繼續努力進行空氣動力學仿真研究。

展望未來的汽車設計，豐田/雷克薩斯將持續探索陸空應用，不斷利用他們學到的知識打造新產品。

中江表示：“仿真分析技術使我們能夠獲得顛覆傳統思維的方法和性能。”