空气动力学 | 丰田借力仿真穿越天地之间

本文原载于Ansys Advantage：《Toyota Simulates from Land to Air Back Again》

工程师之间的协作通常会带来创新，而丰田汽车公司的工程师通过与航空竞赛团队的合作，扩展了他们对汽车空气动力学的了解。此次特别的合作采用了Ansys仿真技术，可同时提高飞机与汽车的空气动力方面的性能。

丰田汽车公司负责CAE技术研发的中江雄亮(Yusuke Nakae)一直与丰田的JSOL公司合作，使用Ansys LS-DYNA进行流体分析，测量车辆行驶时产生的空气动力以及该力如何影响车辆的稳定性。通过利用参照以往的汽车仿真经验改进航空竞赛飞机，然后根据在航空竞赛飞机上获得的成功经验对雷克萨斯汽车进行改进，中江的团队实现了使用传统方法无法得到的分析。

车辆空气动力学的传统测试方法，包括在汽车静止时向其施加风力，然后通过实验和计算测量变化情况。中江团队想了解汽车在运动时与静止时的空气外力有何不同，这启发了中江团队尝试对运动的车辆进行分析。具体而言，他们希望使用LS-DYNA对车辆变道时的空气动力形态进行仿真。

正常分析（汽车静止时施加风力）获得的结果与汽车运动时获得的结果截然不同。然而，在驾驶汽车时测量空气作用力仍然是一大挑战⸺即使在风洞中也是如此。中江团队希望使用仿真定量分析空气动力差异。由于丰田以LS-DYNA作为标准工具进行碰撞安全性能分析，而LS-DYNA也具有流体分析功能，该团队认为，如果他们可以为其模型添加流体分析功能，就可以创建一种使用单个求解器分析多个物理特性的理想环境。

雷克萨斯赞助了参加红牛特技飞行锦标赛的室屋义秀(Yoshihide Muroya)。2017年，中江团队首次在比赛前测试了他们关于飞机空气动力学的理论。

在飞机领域，空气动力学分析通常在静止状态下进行，因此让航空竞赛团队将汽车仿真中使用的知识和专业技巧应用于飞机竞赛设计确实是一大挑战。

部分问题在于空气速度的差异。

飞机速度非常快（螺旋桨飞机以每小时350公里的速度飞行），而汽车速度很慢，以每小时100公里的速度行驶。此外，飞机是流线型的，而汽车则不是，所以其基体周围的空气流动是完全不同的。这意味着研究人员无法准确计算空气动力，除非他们能够再现空气的流动（尤其是在湍流条件下）。

机翼的空气动力学仿真

幸运的是，目前有大量关于飞机机翼的实验数据，因此中江团队可以选择适当的湍流模型开展飞机应用分析。

该团队仿真了不同运动导致的不同的空气动力，他们采用高性能计算机进行复杂的计算、编译数据、可视化，并与航空竞赛团共享。

在航空竞赛期间，团队对飞行技术进行测试，分析他们所记录的数据，然后对更新的技术进行迭代测试。一位参赛对手甚至注意到室屋盘旋半径更大而其总时间却减少了。

丰田/雷克萨斯从此经验中获益匪浅。

“我学会了如何控制涡流，从气动阻力的角度而言，有必要避免产生涡流，”中江说道。“我通过试验不同形状的小翼并进行仿真分析，确定了空气阻力最小的小翼设计，获得了如何控制涡流的经验。”

在汽车应用方面，团队获悉在汽车周围产生有效涡流可以提高其动态性能。事实证明，实际性能与他们的理论构想的一样出色，并借此在一月份推出了雷克萨斯LC 500 Inspiration系列车型。这款限量版车型将471马力V8豪华旅行轿跑车提升到全新水平。受航空竞赛启发的一个重大升级是碳纤维增强塑料后扰流板，该装置模仿倒置的一种飞机机翼，其翼尖处产生涡流，可提高机动性和效率。

虽然红牛特技飞行世界锦标赛于2019年取消，但中江团队将继续努力进行空气动力学仿真研究。

展望未来的汽车设计，丰田/雷克萨斯将持续探索陆空应用，不断利用他们学到的知识打造新产品。

中江表示：“仿真分析技术使我们能够获得颠覆传统思维的方法和性能。”