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自動車:粒子追跡 / 汚れ・雨水対策

粒子追跡

車両が路上で接触する物質は空気のみではないため、過酷な自然条件にも対応できるように車両を設計しなければなりません。水、雪、氷、土や埃、石、その他の破片の粒子は、タイヤや風により跳ね上げられたり、または天候条件により発生します。このような細かい粒子の動きは、車両の空力に大きく影響されます。粒子が車両の表面に衝突するか、吸気口またはその他の開口部から取り込まれるまで、車両周りの粒子の動きは走行中の車両の外部流れに影響されます。車両の安全性、性能、品質に関する多くの重要な要素は、流れと粒子の関係に左右されます。

泥はね汚れや石などの固体粒子については、窓ガラスや外部ミラー、カメラ、ライトにできる限り汚れが付着しないように保ちつつ、車両への衝突を回避して表面や部品への損傷を防ぐ必要があります。ホイールの周辺部分は、汚れを運ぶ水滴の跳ね上げ方向をコントロールし、車体の重要な部分に付着する汚れが少なくなるように設計されています。

ホイールとブレーキホイールとブレーキについては、ブレーキディスクの表面に汚れや水が付着しないようにする必要があります。さらに、ブレーキを使用する際、微小なブレーキの粉塵粒子が発生し、ホイールリムに沈着模様ができる場合があります。このような問題を軽減するには、ホイールリムシェイプ、スプラッシュシールド、エアフローガイドなどを使用して、粒子の付着を防ぎます。

雪の付着降雪走行時に付着する雪の粒子は、車両の空力により大きく影響されます。小さな剥離のような気流の乱れは、粒子を特定の箇所に付着させます。これにより粒子が吸気口を塞ぎ、窓ガラスや外部ミラーの視界を妨げ、ランプを覆い、さらにワイパーの動きを妨げるなどの問題が発生します。車両の形状を調整することで、このような流れの障害を円滑にし、雪の付着を防ぎます。

エンジンルームへの粒子の流入と汚れ車のホイールや他の車両から跳ね上げられた水や汚れ、さらに空気中の水、雪、埃は、エンジン性能やアンダーフードシステムの性能を低下させます。特に吸気口は、清浄な空気を取り入れ、吸入する空気に含まれる粒子のフィルタリングや分離による圧力損失が最小になるように設計されています。同様に、粒子の付着はエンジンルームの可動部(ベルトやファンなど)の性能にも影響します。粒子の付着と流入をコントロールする空気流れの管理は、グリル、アンダーボディ、エンジンルーム部品、部品のレイアウトなどの設計に影響を与えます。

技術課題

Aピラーやサイドミラー、その他車両の形状に関わる要素を決める際、汚れおよび雨水対策と同時に、車両の空力と空力騒音の性能も考慮されます。水、汚れ、雪、ブレーキダストなどその他外部粒子を適切に制御する性能は、車両の表面や部品設計の詳細さにかかっています。一般的にこの種の性能を評価するには、非常に詳細なプロトタイプを作成する必要がありますが、その完成を設計プロセスの後期まで待たなければなりません。設計の後段階で問題を修正することは、労力の増大に加えて、設備の変更、車両部品の追加など多大なコストがかかります。粒子の動きに関連する主な要素(外部の表面形状やエンジンルームのレイアウトなど)については、設計の初期段階で情報を得る必要があります。詳細なプロトタイプが完成する前に、レインガターや吸気などの詳細な部品設計の効果を理解することで、性能と安全性のターゲットが達成される車両を設計することができます。

空力シミュレーションを実施することで、このような知見を得ることができますが、空気中を流れる粒子や表面に付着する粒子の構造の詳細さが必要になるため、困難な課題でもあります。粒子の流れは非定常の乱流効果の影響を大きく受けるため、流れと粒子の軌道を正確にシミュレートすることが重要になります。

ソリューション

弊社は、車両の設計ターゲットを評価するため、空力および粒子の流れをシミュレートするソリューションを提供しております。PowerFLOWを用いて流れのシミュレーションを行い、その結果を基に、PowerVIZを使い流れに粒子を放出し、粒子が表面に衝突するまでの軌道を計算することができます。粒子の衝突点と密度が記録され、累積分析が行われます。さらに、粒子が表面で弾かれてエンジンルームまたは車両表面に複雑な流れ経路ができるように、表面プロパティを定義することもできます。粒子追跡のシミュレーションでは、スクリーンまたは熱交換器を通じて流れる粒子をリアルに捉えることができます。このような機能の組み合わせによって、粒子追跡や汚れ・雨水対策に関する現象の幅広い調査が可能になります。

EXA SOFTWARE USED FOR THIS APPLICATION

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Simulation: 
Results Analysis: