设计仿真 | Cradle CFD助力东海大学太阳能汽车队技术突破

东海大学太阳能汽车队在10月22日至29日举行的全球最大的太阳能汽车比赛之一“Bridgestone World Solar Challenge 2023（普利司通世界太阳能挑战赛2023）”（以下简称BWSC2023）中获得第5名。该团队利用海克斯康工业软件的热流体分析软件Cradle CFD进行数字仿真，开发具有出色空气动力学性能的车身。

东海大学太阳能汽车队参加了挑战者组的比赛，他们以超过90公里/小时的巡航速度在严酷的澳大利亚沙漠中行驶了3000公里，在行驶过程中仅使用阳光产生的少量能量。

自1993年以来，该队参加了近年来每两年举行的BWSC比赛，并在2009年和2011年连续两次获得冠军。2019年，他们获得了亚军，随后开始为BWSC2021设计新的车身，但被取消了。从那时起，他们一直在努力开发新车身BWSC2023，这是他们四年来的第一次挑战。

赛事规则的重大变化

从今年开始，赛事规则发生了变化，要求最小离地高度从70mm增加到 100 mm，车身前后接近角和离去角为10°或更大。这样更改使得车身底部和地面之间的轮胎面积明显增加。这不仅增加了轮胎扰动的气流影响，而且还促进了底盘下的气流扰动，导致空气阻力增加。此外，从今年的赛事开始，车牌被要求放置在汽车的后端，这导致汽车尾部的流动分离，增加了空气阻力。

东海大学太阳能汽车团队和福田实验室将这些赛事规则的变化视为一个机会，通过应用他们多年来研发的先进空气动力学技术，为参赛团队带来改变。

太阳能汽车空气动力技术发展的挑战点

太阳能汽车开发中的空气动力技术每年都变得越来越复杂，比赛处于高水平。他们必须在今年的规定公布后大约6个月内完成汽车设计。这意味着他们需要在很短的开发周期内考虑大量复杂的外部形状。

太阳能汽车的流线型外形使分析变得困难，需要大量的分析案例（每开发一辆汽车近200个案例），并且需要先进的分析技术和评估方法。此外，由于比赛是在公共道路上进行的，因此有必要考虑包括强侧风在内的实际环境，如何提供实际性能至关重要。

由于空气动力阻力消耗的功率随着速度的立方而增加，因此空气动力阻力消耗的功率百分比随着速度的增加而增加。在95 km/h时，获胜团队的假设巡航速度，超过80%的动力消耗是由于空气阻力造成的。

基于空气动力学分析结果的评估

根据团队自己的测量数据，在实际道路上预期的侧风条件下进行了空气动力学分析。结果表明，高湍流能量区域（等值面）很少，即使车身符合这些严格的规则变化，也能实现高空气动力学性能。另一方面，结果也表明，后端车牌后面有一个高湍动能区域，这是本次规则变更所要求放置的。

图：考虑真实环境空气动力学分析结果

作为对后端放置的定位板的对策，2023模型配备了名为"湍流旋涡抑制叶片( TVS叶片) "的小型气动装置(专利申请中)，用于抑制后方的旋涡(涡量)。下面的分析结果表明，后向涡可以被成功地抑制。装置（1）将空气阻力降低了约1.8%，进一步改进的装置（2）成功地将整个太阳能汽车的空气阻力降低了4.5%。

图：不使用小型气动装置和使用小型气动装置的分析结果比较

总网格数约为7亿个单元

在总共约7亿个单元的高精度分析中，生成了用于最终性能评估的详细网格，结果表明2023年模型的气动性能超过了2019年模型，克服了规则变化对气动性能的严重影响。在福田实验室拥有的集群式计算机上进行分析需要不到一周的时间。在开发的早期阶段，他们用稍粗的网格进行了分析，每个案例大约一天，共仿真了100多个车身形状。

图：用于详细分析以评估最终性能的网格

Kota Fukuda 教授

东海大学工学院航空航天系的Kota Fukuda教授是东海大学太阳能汽车团队的主任，他表示：

“Cradle CFD 对于有效分析复杂几何形状周围的流动非常有帮助，它能够快速生成网格，即使是复杂的几何形状。在太阳能汽车开发中，我们需要在短时间内研究许多复杂的形状，而Cradle CFD可以有效地用于此目的。从教育方面来看，友好的日语界面对于刚接触CFD（计算流体动力学）/CAE（计算机辅助工程）的学生来说很容易理解，而且功能也很容易学习。有了这个用户友好的软件，我可以看到我的学生正在绘制理想的学习曲线。支持团队的即时回复也非常有帮助。

由于现在和未来的工程师必须充分利用CAE，因此我认为，通过太阳能汽车的开发，让学生实际使用CFD和其他CAE软件，根据他们的分析结果进行分析和制作实际产品，对大学来说非常有效。我相信，在这里学习的许多学生将来都会活跃在包括生态交通发展在内的各个领域的工业领域。我们不仅希望将CFD用于未来的太阳能汽车开发，还希望将各种CAE技术用于未来的太阳能汽车开发。

（海克斯康工业软件）

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