東海大學(xué)太陽能汽車隊(duì)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(zhàn)賽2023）”（以下簡稱BWSC2023）中獲得第5名。該團(tuán)隊(duì)利用?？怂箍?a style='color: blue;display:inline;border:none;' target='_blank' href='http://www.winwipeout.cn/soft/' onclick="HitLog('工業(yè)軟件','http://www.winwipeout.cn/soft/')" >工業(yè)軟件的熱流體分析軟件Cradle CFD進(jìn)行數(shù)字仿真，開發(fā)具有出色空氣動(dòng)力學(xué)性能的車身。

東海大學(xué)太陽能汽車隊(duì)參加了挑戰(zhàn)者組的比賽，他們以超過90公里/小時(shí)的巡航速度在嚴(yán)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(chǎn)生的少量能量。

自1993年以來，該隊(duì)參加了近年來每兩年舉行的BWSC比賽，并在2009年和2011年連續(xù)兩次獲得冠軍。2019年，他們獲得了亞軍，隨后開始為BWSC2021設(shè)計(jì)新的車身，但被取消了。從那時(shí)起，他們一直在努力開發(fā)新車身BWSC2023，這是他們四年來的第一次挑戰(zhàn)。

賽事規(guī)則的重大變化

從今年開始，賽事規(guī)則發(fā)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(dòng)的氣流影響，而且還促進(jìn)了底盤下的氣流擾動(dòng)，導(dǎo)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(dǎo)致汽車尾部的流動(dòng)分離，增加了空氣阻力。

東海大學(xué)太陽能汽車團(tuán)隊(duì)和福田實(shí)驗(yàn)室將這些賽事規(guī)則的變化視為一個(gè)機(jī)會(huì)，通過應(yīng)用他們多年來研發(fā)的先進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)，為參賽團(tuán)隊(duì)帶來改變。

太陽能汽車開發(fā)中的空氣動(dòng)力技術(shù)每年都變得越來越復(fù)雜，比賽處于高水平。他們必須在今年的規(guī)定公布后大約6個(gè)月內(nèi)完成汽車設(shè)計(jì)。這意味著他們需要在很短的開發(fā)周期內(nèi)考慮大量復(fù)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(fā)一輛汽車近200個(gè)案例），并且需要先進(jìn)的分析技術(shù)和評(píng)估方法。此外，由于比賽是在公共道路上進(jìn)行的，因此有必要考慮包括強(qiáng)側(cè)風(fēng)在內(nèi)的實(shí)際環(huán)境，如何提供實(shí)際性能至關(guān)重要。

由于空氣動(dòng)力阻力消耗的功率隨著速度的立方而增加，因此空氣動(dòng)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(shí)，獲勝團(tuán)隊(duì)的假設(shè)巡航速度，超過80%的動(dòng)力消耗是由于空氣阻力造成的。

基于空氣動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果的評(píng)估

圖：考慮真實(shí)環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

作為對(duì)后端放置的定位板的對(duì)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(dòng)裝置(專利申請(qǐng)中)，用于抑制后方的旋渦(渦量)。下面的分析結(jié)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(jìn)一步改進(jìn)的裝置（2）成功地將整個(gè)太陽能汽車的空氣阻力降低了4.5%。

圖：不使用小型氣動(dòng)裝置和使用小型氣動(dòng)裝置的分析結(jié)果比較

在總共約7億個(gè)單元的高精度分析中，生成了用于最終性能評(píng)估的詳細(xì)網(wǎng)格，結(jié)果表明2023年模型的氣動(dòng)性能超過了2019年模型，克服了規(guī)則變化對(duì)氣動(dòng)性能的嚴(yán)重影響。在福田實(shí)驗(yàn)室擁有的集群式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析需要不到一周的時(shí)間。在開發(fā)的早期階段，他們用稍粗的網(wǎng)格進(jìn)行了分析，每個(gè)案例大約一天，共仿真了100多個(gè)車身形狀。

圖：用于詳細(xì)分析以評(píng)估最終性能的網(wǎng)格

Kota Fukuda 教授

東海大學(xué)工學(xué)院航空航天系的Kota Fukuda教授是東海大學(xué)太陽能汽車團(tuán)隊(duì)的主任，他表示：

“Cradle CFD 對(duì)于有效分析復(fù)雜幾何形狀周圍的流動(dòng)非常有幫助，它能夠快速生成網(wǎng)格，即使是復(fù)雜的幾何形狀。在太陽能汽車開發(fā)中，我們需要在短時(shí)間內(nèi)研究許多復(fù)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(duì)于剛接觸CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）/CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的學(xué)生來說很容易理解，而且功能也很容易學(xué)習(xí)。有了這個(gè)用戶友好的軟件，我可以看到我的學(xué)生正在繪制理想的學(xué)習(xí)曲線。支持團(tuán)隊(duì)的即時(shí)回復(fù)也非常有幫助。

由于現(xiàn)在和未來的工程師必須充分利用CAE，因此我認(rèn)為，通過太陽能汽車的開發(fā)，讓學(xué)生實(shí)際使用CFD和其他CAE軟件，根據(jù)他們的分析結(jié)果進(jìn)行分析和制作實(shí)際產(chǎn)品，對(duì)大學(xué)來說非常有效。我相信，在這里學(xué)習(xí)的許多學(xué)生將來都會(huì)活躍在包括生態(tài)交通發(fā)展在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)領(lǐng)域。我們不僅希望將CFD用于未來的太陽能汽車開發(fā)，還希望將各種CAE技術(shù)用于未來的太陽能汽車開發(fā)。