ローリングロード風洞：自動車の空力データに移動地面が必要な理由

実際の道路では、車が動き、地面は静止しています。風洞内では、空気が動き、車と地面の両方が静止しています。この単一の逆転現象こそが、風洞の数値と現実との違いの大部分を生み出している原因です。

ローリングロード風洞 は、この違いを取り除くために存在します。自動車の空気力学における他のすべての要素（床下流れ、ホイール後流、冷却抵抗、後端圧力回復）は、地面の条件を正しく設定した上で成り立つものです。

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1. 固定床がデータに与える影響

固定床の場合、風洞の床面に沿って境界層が発達し、車体に到達します。車両の下にはクリーンで最高速の空気ではなく、減速して厚みを増した流れが入り込みます。これにより、直ちに以下の3つの結果が生じます。

• 床下流れが不正確になる。 車高感度、ディフューザー性能、フロアエッジ渦はすべて、そこにはもはや存在しない速度分布に依存しています。
• ホイールの挙動が不正確になる。 静止したホイールは、回転しているホイールとは異なる後流を発生させます。ホイールとホイールハウスの空気力学は全体の抗力の大きな割合を占める可能性がありますが、そのどれも正確に再現されません。
• 後流が不正確になる。 床下やホイールからの誤差が下流へと対流し、ベース圧力を変化させます。これは、ほとんどの市販車において抗力を支配する要素です。

その結果、間違った構成での再現性のある測定が行われることになります。忠実度を伴わない再現性こそが、風洞内にしか存在しない車を最適化してしまう開発プログラムの典型的な失敗要因です。

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2. 地面シミュレーションの段階

地面シミュレーションは単一の機能ではなく、一連のステップから成り立っています。最新の施設はこれらを1つずつ有効にできるように構築されており、これにより各ステップの価値を定量化することができます。例えば、IVK風洞（シュトゥットガルト大学 内燃機関・自動車工学研究所）では、その手順が次のように文書化されています。地面シミュレーションなし、次に境界層吸い込み、次にセンターベルト、そしてミニベルトによるホイール回転です。

境界層吸い込み（BLS）。 上流に配置されたスクープと分散吸い込みにより、床の境界層が車に到達する前に除去されます。壁面近くの流れに再びエネルギーを与えるために、接線吹き出しを追加することもできます。これだけでも誤差の大部分を回復でき、最も低コストなステップです。

センターベルト。 車両の中心線の下にある動くベルトが、床下流れが存在する領域に正しい相対運動を与えます。

ミニベルトによるホイール回転。 各ホイールの下にある4つの小さなベルトが、車体を支持したままホイールを回転させます。センターベルトと組み合わせることで5ベルトシステム を形成し、これは今日のフルスケール量産車用風洞のほとんどで使用されている構成です。

シングルワイドベルト。 車両全体の下に1つのベルトを配置し、車体は上部からのストラットまたはホイールのハブ拘束によって保持されます。最も忠実なシミュレーションですが、要求される要件も最大です。高いベルト速度と動力、冷却、エアベアリング、正確な張力制御、そしてベルトの周囲で機能するバランスシステムが必要です。モータースポーツや専用の空力開発施設で好まれています。

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3. 閉塞（ブロッケージ）：問題のもう半分

テストセクション内の車は、流路面積のかなりの部分を占有します。クローズドセクション（閉鎖測定部） では、これが流線を制限して局所的な速度を上昇させ、力を過大評価させます。オープンジェット セクションでは、ジェットは膨張できますが、ジェット境界にせん断層が形成され、その不安定性が共振を引き起こしてテストセクション内の圧力分布を変化させる可能性があります。

どちらの挙動も排除すべき欠陥ではなく、補正すべき物理現象です。自動車業界の慣行は、Mercker、Wiedemann、Cooperらによって開発された補正方法に収束しています。これらは、ノズル干渉、ジェットの膨張と偏向、コレクター干渉、およびテストセクションに沿った静圧勾配を考慮しており、測定された抗力係数を実際の路上での値に近づけることが実証されています。

この実用的な意味合いは、不都合でありながらも重要です。すなわち、抗力係数は車単体の特性ではない ということです。それは、車、風洞、地面シミュレーションの状態、そして補正方法の特性です。これら4つすべてを把握せずに、ある施設のCd値を別の施設のCd値と比較することは、よくある代償の大きい間違いです。

数値を引用する際は、その構成を明記してください。数値を受け取る際は、その構成を尋ねてください。

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4. 移動地面がもたらすその他の可能性

地面シミュレーションが導入されると、同じ施設内で他のいくつかの測定も意味を持つようになります。

• 冷却抵抗と熱管理。 フロントインテーク、熱交換器スタック、エンジンまたはバッテリーコンパートメントを通る空気の流れは、正しい床下流れがあって初めて現実的に振る舞います。これは電気自動車においてますます重要な課題となっています。
• 揚力とバランス配分。 前後の揚力、および車高によるその変化は、高速安定性を決定する数値です。
• 空力騒音。 風切り音の評価には、流れ場が正確であることと、風洞自体の暗騒音レベルが低いことが求められます。
• 汚れおよび水管理。 水しぶきがどこへ飛ぶかは、ホイールの回転に依存します。

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5. 施設への影響

このような施設を仕様策定またはアップグレードする場合、地面シミュレーションシステムは設計の驚くほど多くの部分を左右します。

• ベルトの速度、動力、冷却。 道路と同じ速度で何時間も稼働するベルトは熱を発生させるため、正確な張力とトラッキング制御が求められます。
• バランスシステムの統合。 荷重測定システムは、荷重経路に影響を与えることなく、ベルト、ホイール拘束装置、および吸い込みプレナムの周囲で機能しなければなりません。
• 吸い込み設備。 境界層の除去は単なるスロットではなく、本格的な空気処理システムです。
• テストセクションの形状と補正戦略。 オープンジェットかクローズドセクションかの決定は、どの補正方法を採用するか、そしてデータが他とどれだけ比較可能になるかを決定づけます。
• スケール。 縮尺風洞（一般的に1:2から1:4程度）は、エネルギー単位あたりはるかに多くのテスト時間を提供し、開発に広く使用されています。一方、フルスケールは検証用に予約されます。

回路アーキテクチャの一般的なトレードオフは、ここでも他の場所と同様に適用されます。詳細については、

閉回路風洞（循環式）と開回路風洞（オープンフロー）

、および当社の

風洞タイプの比較

をご覧ください。

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6. 5つの間違い

• 未補正の数値を比較する。 2つの風洞、2つの補正方法、意味のない1つの比較。
• 地面シミュレーションの状態なしでCd値を報告する。 「BLSのみ」と「5ベルト、ホイール回転あり」では、空気力学的に異なる車になります。
• 圧力勾配を無視する。 テストセクションに沿った静圧勾配は水平方向の浮力を生み出し、それが直接抗力として現れます。
• 間違った車高でテストする。 空力荷重は車高を変化させ、それがさらに空力荷重を変化させます。静止時のジオメトリは、走行時のジオメトリではありません。
• CFDの相関の失敗をCFDの誤差として扱う。 多くの場合、シミュレーションは正しく、風洞の構成がシミュレーションの前提と異なっていたことが原因です。

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7. 組み込み設計

地面シミュレーションは付属品ではありません。それは、データが道路車両を正確に記述しているかどうかを決定する、自動車用風洞の重要な部分です。吸い込みのみ、5ベルト、またはシングルベルトのどのレベルが必要かを早期に決定してください。それぞれが異なる構造、動力、冷却、およびバランス設計を意味するからです。

当社は、測定プログラムに合わせてカスタム風洞の設計、製造、およびコミッショニングを行っています。地面シミュレーション、バランス、および計測機器は、後から追加されるのではなく、空力コンセプトの段階から統合されています。

テストする必要のある車両と速度をお知らせください。 セクションタイプ、地面シミュレーションのレベル、駆動動力、および設置面積を含むコンセプトをご提案します。

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出典および注記

• 境界層吸い込み、接線吹き出し、および4つのホイール回転ユニットを備えた5ベルト道路シミュレーション、ならびに段階的な有効化手順（地面シミュレーションなし → 境界層吸い込み → センターベルト → ホイール回転）："The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429。
• ノズル干渉、ジェットの膨張と偏向、コレクター干渉、および静圧勾配の影響を含む、オープンジェット補正の慣行："The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles"。
• オープンジェット自動車用テストセクションにおけるせん断層の不安定性と共振：Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022)。
• 予測される車両空気力学に対する地面シミュレーションと閉塞率（ブロッケージ比）の影響：MDPI Vehicles, 2(2), 18。
• およそ1:2から1:4の縮尺範囲は一般的な業界の慣行を反映しており、施設によって異なります。
• 施設設計のガイダンスは、TunnelTechのエンジニアリング慣行に基づいています。