設計仿真 | Cradle CFD助力東海大學太陽能汽車隊技術突破

東海大學太陽能汽車隊在10月22日至29日舉行的全球最大的太陽能汽車比賽之一“Bridgestone World Solar Challenge 2023（普利司通世界太陽能挑戰賽2023）”（以下簡稱BWSC2023）中獲得第5名。該團隊利用海克斯康工業軟件的熱流體分析軟件Cradle CFD進行數字仿真，開發具有出色空氣動力學性能的車身。

東海大學太陽能汽車隊參加了挑戰者組的比賽，他們以超過90公里/小時的巡航速度在嚴酷的澳大利亞沙漠中行駛了3000公里，在行駛過程中僅使用陽光產生的少量能量。

自1993年以來，該隊參加了近年來每兩年舉行的BWSC比賽，并在2009年和2011年連續兩次獲得冠軍。2019年，他們獲得了亞軍，隨后開始為BWSC2021設計新的車身，但被取消了。從那時起，他們一直在努力開發新車身BWSC2023，這是他們四年來的第一次挑戰。

賽事規則的重大變化

從今年開始，賽事規則發生了變化，要求最小離地高度從70mm增加到 100 mm，車身前后接近角和離去角為10°或更大。這樣更改使得車身底部和地面之間的輪胎面積明顯增加。這不僅增加了輪胎擾動的氣流影響，而且還促進了底盤下的氣流擾動，導致空氣阻力增加。此外，從今年的賽事開始，車牌被要求放置在汽車的后端，這導致汽車尾部的流動分離，增加了空氣阻力。

東海大學太陽能汽車團隊和福田實驗室將這些賽事規則的變化視為一個機會，通過應用他們多年來研發的先進空氣動力學技術，為參賽團隊帶來改變。

太陽能汽車開發中的空氣動力技術每年都變得越來越復雜，比賽處于高水平。他們必須在今年的規定公布后大約6個月內完成汽車設計。這意味著他們需要在很短的開發周期內考慮大量復雜的外部形狀。

太陽能汽車的流線型外形使分析變得困難，需要大量的分析案例（每開發一輛汽車近200個案例），并且需要先進的分析技術和評估方法。此外，由于比賽是在公共道路上進行的，因此有必要考慮包括強側風在內的實際環境，如何提供實際性能至關重要。

由于空氣動力阻力消耗的功率隨著速度的立方而增加，因此空氣動力阻力消耗的功率百分比隨著速度的增加而增加。在95 km/h時，獲勝團隊的假設巡航速度，超過80%的動力消耗是由于空氣阻力造成的。

基于空氣動力學分析結果的評估

圖：考慮真實環境空氣動力學分析結果

作為對后端放置的定位板的對策，2023模型配備了名為"湍流旋渦抑制葉片( TVS葉片) "的小型氣動裝置(專利申請中)，用于抑制后方的旋渦(渦量)。下面的分析結果表明，后向渦可以被成功地抑制。裝置（1）將空氣阻力降低了約1.8%，進一步改進的裝置（2）成功地將整個太陽能汽車的空氣阻力降低了4.5%。

圖：不使用小型氣動裝置和使用小型氣動裝置的分析結果比較

在總共約7億個單元的高精度分析中，生成了用于最終性能評估的詳細網格，結果表明2023年模型的氣動性能超過了2019年模型，克服了規則變化對氣動性能的嚴重影響。在福田實驗室擁有的集群式計算機上進行分析需要不到一周的時間。在開發的早期階段，他們用稍粗的網格進行了分析，每個案例大約一天，共仿真了100多個車身形狀。

圖：用于詳細分析以評估最終性能的網格

Kota Fukuda 教授

東海大學工學院航空航天系的Kota Fukuda教授是東海大學太陽能汽車團隊的主任，他表示：

“Cradle CFD 對于有效分析復雜幾何形狀周圍的流動非常有幫助，它能夠快速生成網格，即使是復雜的幾何形狀。在太陽能汽車開發中，我們需要在短時間內研究許多復雜的形狀，而Cradle CFD可以有效地用于此目的。從教育方面來看，友好的日語界面對于剛接觸CFD（計算流體動力學）/CAE（計算機輔助工程）的學生來說很容易理解，而且功能也很容易學習。有了這個用戶友好的軟件，我可以看到我的學生正在繪制理想的學習曲線。支持團隊的即時回復也非常有幫助。

由于現在和未來的工程師必須充分利用CAE，因此我認為，通過太陽能汽車的開發，讓學生實際使用CFD和其他CAE軟件，根據他們的分析結果進行分析和制作實際產品，對大學來說非常有效。我相信，在這里學習的許多學生將來都會活躍在包括生態交通發展在內的各個領域的工業領域。我們不僅希望將CFD用于未來的太陽能汽車開發，還希望將各種CAE技術用于未來的太陽能汽車開發。