空氣動(dòng)力學(xué) | 豐田借力仿真穿越天地之間

工程師之間的協(xié)作通常會(huì)帶來(lái)創(chuàng)新，而豐田汽車(chē)公司的工程師通過(guò)與航空競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)的合作，擴(kuò)展了他們對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的了解。此次特別的合作采用了Ansys仿真技術(shù)，可同時(shí)提高飛機(jī)與汽車(chē)的空氣動(dòng)力方面的性能。

(資料圖片)

豐田汽車(chē)公司負(fù)責(zé)CAE技術(shù)研發(fā)的中江雄亮(Yusuke Nakae)一直與豐田的JSOL公司合作，使用Ansys LS-DYNA進(jìn)行流體分析，測(cè)量車(chē)輛行駛時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力以及該力如何影響車(chē)輛的穩(wěn)定性。通過(guò)利用參照以往的汽車(chē)仿真經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)航空競(jìng)賽飛機(jī)，然后根據(jù)在航空競(jìng)賽飛機(jī)上獲得的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)雷克薩斯汽車(chē)進(jìn)行改進(jìn)，中江的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了使用傳統(tǒng)方法無(wú)法得到的分析。

從傳統(tǒng)到實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)

車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)的傳統(tǒng)測(cè)試方法，包括在汽車(chē)靜止時(shí)向其施加風(fēng)力，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算測(cè)量變化情況。中江團(tuán)隊(duì)想了解汽車(chē)在運(yùn)動(dòng)時(shí)與靜止時(shí)的空氣外力有何不同，這啟發(fā)了中江團(tuán)隊(duì)嘗試對(duì)運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛進(jìn)行分析。具體而言，他們希望使用LS-DYNA對(duì)車(chē)輛變道時(shí)的空氣動(dòng)力形態(tài)進(jìn)行仿真。

正常分析（汽車(chē)靜止時(shí)施加風(fēng)力）獲得的結(jié)果與汽車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得的結(jié)果截然不同。然而，在駕駛汽車(chē)時(shí)測(cè)量空氣作用力仍然是一大挑戰(zhàn)?即使在風(fēng)洞中也是如此。中江團(tuán)隊(duì)希望使用仿真定量分析空氣動(dòng)力差異。由于豐田以LS-DYNA作為標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行碰撞安全性能分析，而LS-DYNA也具有流體分析功能，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果他們可以為其模型添加流體分析功能，就可以創(chuàng)建一種使用單個(gè)求解器分析多個(gè)物理特性的理想環(huán)境。

雷克薩斯贊助了參加紅牛特技飛行錦標(biāo)賽的室屋義秀(Yoshihide Muroya)。2017年，中江團(tuán)隊(duì)首次在比賽前測(cè)試了他們關(guān)于飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的理論。

飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)果有利于汽車(chē)設(shè)計(jì)

在飛機(jī)領(lǐng)域，空氣動(dòng)力學(xué)分析通常在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，因此讓航空競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)將汽車(chē)仿真中使用的知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技巧應(yīng)用于飛機(jī)競(jìng)賽設(shè)計(jì)確實(shí)是一大挑戰(zhàn)。

部分問(wèn)題在于空氣速度的差異。

飛機(jī)速度非常快（螺旋槳飛機(jī)以每小時(shí)350公里的速度飛行），而汽車(chē)速度很慢，以每小時(shí)100公里的速度行駛。此外，飛機(jī)是流線型的，而汽車(chē)則不是，所以其基體周?chē)目諝饬鲃?dòng)是完全不同的。這意味著研究人員無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算空氣動(dòng)力，除非他們能夠再現(xiàn)空氣的流動(dòng)（尤其是在湍流條件下）。

機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)仿真

幸運(yùn)的是，目前有大量關(guān)于飛機(jī)機(jī)翼的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此中江團(tuán)隊(duì)可以選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ烷_(kāi)展飛機(jī)應(yīng)用分析。

該團(tuán)隊(duì)仿真了不同運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的不同的空氣動(dòng)力，他們采用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算、編譯數(shù)據(jù)、可視化，并與航空競(jìng)賽團(tuán)共享。

在航空競(jìng)賽期間，團(tuán)隊(duì)對(duì)飛行技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，分析他們所記錄的數(shù)據(jù)，然后對(duì)更新的技術(shù)進(jìn)行迭代測(cè)試。一位參賽對(duì)手甚至注意到室屋盤(pán)旋半徑更大而其總時(shí)間卻減少了。

航空競(jìng)賽結(jié)果給新雷克薩斯汽車(chē)帶來(lái)了靈感

豐田/雷克薩斯從此經(jīng)驗(yàn)中獲益匪淺。

“我學(xué)會(huì)了如何控制渦流，從氣動(dòng)阻力的角度而言，有必要避免產(chǎn)生渦流，”中江說(shuō)道。“我通過(guò)試驗(yàn)不同形狀的小翼并進(jìn)行仿真分析，確定了空氣阻力最小的小翼設(shè)計(jì)，獲得了如何控制渦流的經(jīng)驗(yàn)。”

在汽車(chē)應(yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)獲悉在汽車(chē)周?chē)a(chǎn)生有效渦流可以提高其動(dòng)態(tài)性能。事實(shí)證明，實(shí)際性能與他們的理論構(gòu)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(chē)型。這款限量版車(chē)型將471馬力V8豪華旅行轎跑車(chē)提升到全新水平。受航空競(jìng)賽啟發(fā)的一個(gè)重大升級(jí)是碳纖維增強(qiáng)塑料后擾流板，該裝置模仿倒置的一種飛機(jī)機(jī)翼，其翼尖處產(chǎn)生渦流，可提高機(jī)動(dòng)性和效率。

展望未來(lái)

雖然紅牛特技飛行世界錦標(biāo)賽于2019年取消，但中江團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)努力進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真研究。

展望未來(lái)的汽車(chē)設(shè)計(jì)，豐田/雷克薩斯將持續(xù)探索陸空應(yīng)用，不斷利用他們學(xué)到的知識(shí)打造新產(chǎn)品。

中江表示：“仿真分析技術(shù)使我們能夠獲得顛覆傳統(tǒng)思維的方法和性能。”