การวิจัยและวิศวกรรมการทดสอบ13 พฤศจิกายน 2569อ่าน 3 นาที

อุโมงค์ลมแบบพื้นถนนเคลื่อนที่ (Rolling Road Wind Tunnels): ทำไมข้อมูลอากาศพลศาสตร์ยานยนต์จึงต้องใช้พื้นถนนที่เคลื่อนที่ได้

ทำไมพื้นอุโมงค์ลมที่อยู่นิ่งจึงทำให้ข้อมูลแรงต้านยานยนต์ผิดเพี้ยน, ระบบพื้นถนนเคลื่อนที่แบบสายพาน 5 เส้นและการดูดชั้นขอบเขตทำงานอย่างไร, และทำไมการแก้ไขค่าการกีดขวางกระแสลมจึงสำคัญ

บนถนนจริง รถยนต์จะเคลื่อนที่ในขณะที่พื้นถนนอยู่นิ่ง แต่ในอุโมงค์ลม อากาศจะเคลื่อนที่ในขณะที่ทั้งรถยนต์และพื้นถนนอยู่นิ่ง — และความแตกต่างเพียงจุดเดียวนี้เองที่เป็นสาเหตุหลักของความคลาดเคลื่อนระหว่างตัวเลขที่ได้จากอุโมงค์ลมกับความเป็นจริง

อุโมงค์ลมแบบพื้นถนนเคลื่อนที่ (Rolling road wind tunnel) ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อขจัดข้อจำกัดนี้ องค์ประกอบอื่นๆ ทั้งหมดในอากาศพลศาสตร์ยานยนต์ — ไม่ว่าจะเป็นการไหลของอากาศใต้ท้องรถ, กระแสลมหมุนวนจากล้อ (Wheel wakes), แรงต้านจากระบบระบายความร้อน (Cooling drag) หรือการฟื้นตัวของความดันที่ท้ายรถ (Rear-end pressure recovery) — ล้วนเป็นผลสืบเนื่องมาจากการจำลองสภาพพื้นถนนให้ถูกต้องทั้งสิ้น

1. พื้นอุโมงค์ลมที่อยู่นิ่งส่งผลต่อข้อมูลของคุณอย่างไร

เมื่อพื้นอุโมงค์ลมถูกยึดอยู่กับที่ ชั้นขอบเขต (Boundary layer) จะก่อตัวหนาขึ้นตามพื้นอุโมงค์ลมและพัดเข้าหารถยนต์ แทนที่ใต้ท้องรถจะได้รับกระแสลมที่สะอาดและมีความเร็วเต็มที่ กลับต้องเผชิญกับการไหลของอากาศที่ช้าลงและหนาขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบ 3 ประการตามมาทันที:

การไหลใต้ท้องรถผิดเพี้ยน ความไวต่อความสูงของตัวรถ (Ride-height sensitivity), ประสิทธิภาพของดิฟฟิวเซอร์ (Diffuser) และกระแสลมหมุนวนที่ขอบพื้นรถ ล้วนขึ้นอยู่กับรูปแบบความเร็วลม (Velocity profile) ซึ่งถูกบิดเบือนไป
กระแสลมที่ล้อผิดเพี้ยน ล้อที่อยู่นิ่งจะสร้างกระแสลมหมุนวน (Wake) ที่แตกต่างจากล้อที่กำลังหมุน อากาศพลศาสตร์ของล้อและซุ้มล้อถือเป็นส่วนสำคัญของแรงต้านรวม (Total drag) แต่กลับไม่สามารถจำลองได้อย่างถูกต้องเลย
กระแสลมหมุนวนท้ายรถผิดเพี้ยน ความคลาดเคลื่อนจากใต้ท้องรถและล้อจะถูกพัดพาไปด้านหลังและทำให้ความดันที่ท้ายรถ (Base pressure) เปลี่ยนแปลงไป — ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อแรงต้านในรถยนต์วิ่งถนนส่วนใหญ่

ผลลัพธ์ที่ได้คือการวัดค่าที่ทำซ้ำได้แต่มาจากสภาวะที่ผิดเพี้ยน ความสามารถในการทำซ้ำโดยปราศจากความสมจริงคือสาเหตุที่ทำให้โครงการพัฒนารถยนต์จบลงด้วยการปรับแต่งรถที่วิ่งได้ดีเฉพาะในอุโมงค์ลมเท่านั้น

2. ระดับขั้นของการจำลองพื้นถนน

การจำลองพื้นถนนไม่ใช่ฟีเจอร์เดี่ยวๆ แต่เป็นกระบวนการที่เป็นลำดับขั้น ศูนย์ทดสอบสมัยใหม่ถูกสร้างขึ้นให้สามารถเปิดใช้งานทีละระบบได้ — ซึ่งเป็นวิธีที่ช่วยให้คุณประเมินความคุ้มค่าของแต่ละระบบได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ในอุโมงค์ลม IVK (สถาบันเครื่องยนต์สันดาปภายในและวิศวกรรมยานยนต์ มหาวิทยาลัยชตุทท์การ์ท) ได้ระบุลำดับขั้นตอนไว้ดังนี้: ไม่มีการจำลองพื้นถนน, ตามด้วยการดูดชั้นขอบเขต (Boundary layer suction), จากนั้นเป็นสายพานกลาง (Centre belt), และสุดท้ายคือการหมุนล้อด้วยสายพานขนาดเล็ก (Mini-belts)

การดูดชั้นขอบเขต (Boundary layer suction - BLS) ช่องดักลมและระบบดูดอากาศที่กระจายตัวอยู่ด้านหน้าจะขจัดชั้นขอบเขตบนพื้นออกไปก่อนที่ลมจะปะทะตัวรถ สามารถเพิ่มการเป่าลมในแนวสัมผัส (Tangential blowing) เพื่อเพิ่มพลังงานให้กับการไหลของอากาศใกล้ผนังได้ เพียงแค่วิธีนี้ก็สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนได้เป็นส่วนใหญ่ และยังเป็นขั้นตอนที่ประหยัดที่สุดอีกด้วย

สายพานกลาง (Centre belt) สายพานที่เคลื่อนที่อยู่ใต้แนวกึ่งกลางของตัวรถช่วยสร้างการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ที่ถูกต้องในบริเวณที่มีการไหลของอากาศใต้ท้องรถ

การหมุนล้อด้วยสายพานขนาดเล็ก (Wheel rotation with mini-belts) สายพานขนาดเล็ก 4 เส้นที่อยู่ใต้ล้อแต่ละล้อจะทำหน้าที่หมุนล้อในขณะที่ตัวรถยังคงถูกรองรับไว้ เมื่อทำงานร่วมกับสายพานกลาง จะกลายเป็น ระบบสายพาน 5 เส้น (5-belt system) ซึ่งเป็นรูปแบบที่อุโมงค์ลมสำหรับรถยนต์โปรดักชันขนาดจริงส่วนใหญ่ใช้กันในปัจจุบัน

สายพานกว้างเส้นเดียว (Single wide belt) สายพานเส้นเดียวที่รองรับใต้ท้องรถทั้งคัน โดยตัวรถจะถูกยึดด้วยสตรัทจากด้านบนหรือยึดที่ดุมล้อ นี่คือการจำลองที่สมจริงที่สุดและมีความต้องการทางเทคนิคสูงสุด: ต้องใช้ความเร็วและกำลังของสายพานสูง, ระบบทำความเย็น, แบริ่งอากาศ (Air bearings), การควบคุมความตึงที่แม่นยำ และระบบเครื่องชั่ง (Balance system) ที่ทำงานร่วมกับสายพานได้ ศูนย์ทดสอบมอเตอร์สปอร์ตและศูนย์พัฒนาอากาศพลศาสตร์เฉพาะทางมักนิยมใช้ระบบนี้

3. การกีดขวางกระแสลม (Blockage): อีกครึ่งหนึ่งของปัญหา

รถยนต์ที่อยู่ในส่วนทดสอบ (Test section) จะกินพื้นที่หน้าตัดของการไหลไปอย่างมีนัยสำคัญ ในส่วนทดสอบแบบ ปิด (Closed) สิ่งนี้จะบีบอัดเส้นชั้นการไหล (Streamlines) และเพิ่มความเร็วลมเฉพาะที่ ทำให้ค่าแรงที่วัดได้สูงเกินจริง ส่วนในส่วนทดสอบแบบ เปิด (Open-jet) กระแสลมสามารถขยายตัวได้ แต่จะเกิดชั้นเฉือน (Shear layer) ที่ขอบเขตของกระแสลม และความไม่เสถียรของมันอาจทำให้เกิดการสั่นพ้อง (Resonance) ซึ่งส่งผลให้การกระจายความดันในส่วนทดสอบคลาดเคลื่อนไป

พฤติกรรมทั้งสองแบบไม่ใช่ข้อบกพร่องที่ต้องกำจัดทิ้ง — แต่เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่ต้องได้รับการแก้ไข แนวทางปฏิบัติในอุตสาหกรรมยานยนต์ได้หันมาใช้วิธีการแก้ไขที่พัฒนาโดย Mercker, Wiedemann, Cooper และคณะ ซึ่งคำนึงถึงการรบกวนจากหัวฉีด (Nozzle interference), การขยายตัวและการเบี่ยงเบนของกระแสลม, การรบกวนจากตัวเก็บลม (Collector interference) และความชันของความดันสถิต (Static pressure gradient) ตลอดส่วนทดสอบ ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถปรับค่าสัมประสิทธิ์แรงต้าน (Drag coefficient) ที่วัดได้ให้ใกล้เคียงกับค่าที่เกิดขึ้นจริงบนถนน

นัยยะในทางปฏิบัตินั้นเป็นสิ่งที่น่าอึดอัดแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง: สัมประสิทธิ์แรงต้าน (Cd) ไม่ใช่คุณสมบัติของรถยนต์เพียงอย่างเดียว แต่มันคือคุณสมบัติร่วมของรถยนต์, อุโมงค์ลม, สถานะการจำลองพื้นถนน และวิธีการแก้ไขค่า (Correction method) การเปรียบเทียบค่า Cd จากศูนย์ทดสอบหนึ่งกับอีกศูนย์ทดสอบหนึ่งโดยไม่ทราบปัจจัยทั้งสี่ข้อนี้ ถือเป็นความผิดพลาดที่พบได้บ่อยและมีราคาแพง

เมื่อต้องอ้างอิงตัวเลขใดๆ ให้ระบุรูปแบบการทดสอบ (Configuration) เสมอ และเมื่อได้รับตัวเลขมา ก็ควรสอบถามถึงรูปแบบการทดสอบนั้นด้วย

4. พื้นถนนเคลื่อนที่ช่วยปลดล็อกอะไรได้อีกบ้าง

เมื่อมีการจำลองพื้นถนนแล้ว การวัดค่าอื่นๆ อีกหลายรายการในศูนย์ทดสอบเดียวกันก็จะมีความหมายและแม่นยำมากขึ้น:

แรงต้านจากระบบระบายความร้อน (Cooling drag) และการจัดการความร้อน การไหลของอากาศผ่านช่องดักลมด้านหน้า, ชุดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat exchanger) และห้องเครื่องหรือห้องแบตเตอรี่ จะมีพฤติกรรมที่สมจริงก็ต่อเมื่อการไหลใต้ท้องรถถูกต้องเท่านั้น — ซึ่งประเด็นนี้ทวีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในรถยนต์ไฟฟ้า
แรงยก (Lift) และการกระจายสมดุล แรงยกด้านหน้าและด้านหลัง รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงยกตามความสูงของตัวรถ คือตัวเลขที่กำหนดเสถียรภาพในการขับขี่ที่ความเร็วสูง
อากาศสวนศาสตร์ (Aeroacoustics) การประเมินเสียงลมปะทะจำเป็นต้องมีสนามการไหล (Flow field) ที่ถูกต้อง และระดับเสียงพื้นฐาน (Noise floor) ของอุโมงค์ลมเองต้องต่ำด้วย
การจัดการคราบสกปรกและน้ำ ทิศทางการกระจายของละอองน้ำขึ้นอยู่กับการหมุนของล้อเป็นสำคัญ

5. ผลกระทบต่อการออกแบบศูนย์ทดสอบ

หากคุณกำลังกำหนดสเปกหรืออัปเกรดศูนย์ทดสอบดังกล่าว ระบบจำลองพื้นถนนจะเป็นตัวกำหนดทิศทางการออกแบบในหลายๆ ด้านอย่างคาดไม่ถึง:

ความเร็วสายพาน, กำลัง และระบบทำความเย็น สายพานที่วิ่งด้วยความเร็วเท่าการขับขี่จริงบนถนนเป็นเวลาหลายชั่วโมงจะสร้างความร้อน และต้องการการควบคุมความตึงและการรักษาแนวสายพานที่แม่นยำ
การบูรณาการระบบเครื่องชั่ง (Balance integration) ระบบวัดแรงต้องทำงานร่วมกับสายพาน, อุปกรณ์ยึดล้อ และช่องดูดอากาศ (Suction plena) ได้โดยไม่รบกวนเส้นทางการรับน้ำหนัก (Load path)
ระบบดูดอากาศ (Suction plant) การขจัดชั้นขอบเขตคือระบบจัดการอากาศ (Air-handling system) ขนาดใหญ่ ไม่ใช่แค่ช่องระบายลมธรรมดา
รูปทรงของส่วนทดสอบและกลยุทธ์การแก้ไขค่า การเลือกใช้ส่วนทดสอบแบบเปิด (Open-jet) หรือแบบปิด (Closed) จะเป็นตัวกำหนดว่าคุณต้องใช้วิธีการแก้ไขค่าแบบใด และข้อมูลของคุณจะสามารถนำไปเปรียบเทียบกับที่อื่นได้มากน้อยเพียงใด
สเกล (Scale) อุโมงค์ลมแบบย่อสเกล (โดยทั่วไปประมาณ 1:2 ถึง 1:4) ให้ชั่วโมงการทดสอบต่อหน่วยพลังงานที่สูงกว่ามาก และถูกใช้อย่างแพร่หลายในขั้นตอนการพัฒนา โดยอุโมงค์ลมขนาดจริง (Full-scale) จะถูกสงวนไว้สำหรับการตรวจสอบความถูกต้อง (Validation) ในขั้นตอนสุดท้าย

ข้อดีข้อเสียทั่วไปของสถาปัตยกรรมวงจรลมก็ยังคงนำมาใช้ที่นี่เช่นเดียวกับที่อื่นๆ — ดูเพิ่มเติมที่

อุโมงค์ลมแบบวงจรปิดเทียบกับวงจรเปิด

และ

การเปรียบเทียบประเภทของอุโมงค์ลม

ของเรา

6. ข้อผิดพลาด 5 ประการ

การเปรียบเทียบตัวเลขที่ยังไม่ได้แก้ไขค่า (Uncorrected numbers) อุโมงค์ลม 2 แห่ง, วิธีการแก้ไขค่า 2 แบบ, ย่อมนำไปสู่การเปรียบเทียบที่ไร้ความหมาย
การรายงานค่า Cd โดยไม่ระบุสถานะการจำลองพื้นถนน "ใช้ BLS อย่างเดียว" กับ "ระบบสายพาน 5 เส้น พร้อมล้อหมุน" ในทางอากาศพลศาสตร์แล้วถือว่าเป็นรถคนละคันกันเลย
การละเลยความชันของความดัน (Pressure gradient) ความชันของความดันสถิตตลอดส่วนทดสอบจะสร้างแรงลอยตัวในแนวนอน (Horizontal buoyancy force) ซึ่งจะสะท้อนออกมาในรูปของแรงต้านโดยตรง
การทดสอบที่ความสูงของตัวรถ (Ride height) ผิดพลาด ภาระทางอากาศพลศาสตร์ (Aerodynamic loads) จะทำให้ความสูงของตัวรถเปลี่ยนไป ซึ่งก็จะส่งผลให้ภาระทางอากาศพลศาสตร์เปลี่ยนตามไปด้วย รูปทรงขณะจอดนิ่งไม่ใช่รูปทรงขณะที่รถกำลังวิ่ง
การมองว่าความล้มเหลวในการเทียบเคียงกับ CFD เป็นข้อผิดพลาดของ CFD บ่อยครั้งที่การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์นั้นถูกต้อง แต่รูปแบบการทดสอบในอุโมงค์ลมกลับไม่ตรงกับสมมติฐานที่ใช้ในการจำลอง

7. การบูรณาการระบบเข้าด้วยกัน

การจำลองพื้นถนนไม่ใช่อุปกรณ์เสริม แต่มันคือส่วนสำคัญของอุโมงค์ลมยานยนต์ที่จะเป็นตัวตัดสินว่าข้อมูลที่ได้นั้นอธิบายถึงรถยนต์ที่วิ่งบนถนนจริงหรือไม่ คุณควรตัดสินใจแต่เนิ่นๆ ว่าต้องการระบบในระดับใด — ดูดอากาศอย่างเดียว, สายพาน 5 เส้น, หรือสายพานเส้นเดียว — เพราะแต่ละระดับหมายถึงการออกแบบโครงสร้าง, กำลัง, ระบบทำความเย็น และระบบเครื่องชั่งที่แตกต่างกัน

เราออกแบบ, ผลิต และคอมมิชชันนิงอุโมงค์ลมแบบสั่งทำพิเศษ (Custom tunnels) โดยยึดตามโปรแกรมการวัดค่าของคุณ พร้อมบูรณาการระบบจำลองพื้นถนน, เครื่องชั่ง และเครื่องมือวัด (Instrumentation) เข้าด้วยกันตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบแนวคิดทางอากาศพลศาสตร์ แทนที่จะนำมาติดตั้งเพิ่มในภายหลัง

เพียงบอกเราถึงประเภทของยานพาหนะและความเร็วที่คุณต้องการทดสอบ แล้วเราจะนำเสนอแนวคิดการออกแบบให้คุณ: ประเภทของส่วนทดสอบ, ระดับการจำลองพื้นถนน, กำลังขับเคลื่อน และพื้นที่ที่ต้องใช้

แหล่งที่มาและหมายเหตุ

การจำลองถนนด้วยระบบสายพาน 5 เส้น พร้อมการดูดชั้นขอบเขต, การเป่าลมในแนวสัมผัส และชุดหมุนล้อ 4 ชุด รวมถึงลำดับการเปิดใช้งานทีละขั้นตอน (ไม่มีการจำลองพื้นถนน → การดูดชั้นขอบเขต → สายพานกลาง → การหมุนล้อ): "The New 5-Belt Road Simulation System of the IVK Wind Tunnels", SAE 2003-01-0429
แนวทางปฏิบัติในการแก้ไขค่าสำหรับส่วนทดสอบแบบเปิด (Open-jet) ซึ่งรวมถึงการรบกวนจากหัวฉีด, การขยายตัวและการเบี่ยงเบนของกระแสลม, การรบกวนจากตัวเก็บลม และผลกระทบจากความชันของความดันสถิต: "The necessity for boundary corrections in a standard practice for the open-jet wind tunnel testing of automobiles"
ความไม่เสถียรของชั้นเฉือนและการสั่นพ้องในส่วนทดสอบยานยนต์แบบเปิด: Hu et al., "The low frequency pressure pulsation and control of the open-jet wind tunnel", Scientific Reports 12, 19090 (2022)
ผลกระทบของการจำลองพื้นถนนและอัตราส่วนการกีดขวาง (Blockage ratio) ต่อการทำนายอากาศพลศาสตร์ของยานพาหนะ: MDPI Vehicles, 2(2), 18
ช่วงสเกลย่อส่วนที่ประมาณ 1:2 ถึง 1:4 สะท้อนถึงแนวทางปฏิบัติทั่วไปในอุตสาหกรรมและอาจแตกต่างกันไปตามแต่ละศูนย์ทดสอบ
คำแนะนำในการออกแบบศูนย์ทดสอบอ้างอิงจากแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมของ TunnelTech