ラップタイムに効く空力効率！ PIVとCFDで開発するF1カー：CAEセミナーリポート（1/2 ページ）

　フォーミュラ・ワン世界選手権（F1）では年間20戦ものレースが1、2週間の間隔を置いて開催される（2015年シーズンの場合：取材時点）。そのレースの合間には日夜、風洞実験やCFDによる空力開発が行われている。トヨタは2002〜2009年までの間、F1に参戦。豊田中央研究所の中川雅樹氏はそのF1車両の空力開発に携わり、PIV（Particle image velocimetry、粒子画像測定法）による可視化手法を確立した。2015年3月2日に開催されたシンポジウム「モータースポーツ技術と文化」（自動車技術会主催）で、中川氏がその詳細を語った。

風洞実験で量を回すのが限界に

　F1車両のラップタイムに寄与する要素は空力効率、重量、タイヤグリップ、エンジン、重心高などになる。その中でもF1のシーズン中に向上させやすいのは空力効率だという。重量については通常レギュレーションの最低重量が維持される。エンジンの開発はシーズン中に行うことは基本的になく、重心高を下げるのも現実的ではない。タイヤについては提供メーカーが決まっているため各チームで差を付けられない。その中で「空力効率を0.01向上させるのは、通常、風洞を使って1週間開発を行えば達成できる数字。いかに空力開発が重要か分かる」と中川氏は言う。

　空力開発においては、フロントホイール回りの流れを制御しつつ、きれいなエネルギーを持った流れを床下に押し込むのが重要になる。フロントホイール回りの流れは乱れてエネルギーを失っており、床下からの流入は排除する方向になる。空力開発に制限が掛かる2009年以前は、そのために多くの複雑な整流パーツが作られていた。その中で風洞実験も頻繁に行われていた。

　PIVを導入する前は主にダウンフォースが測定されていたが、実験結果とCFDの結果との整合性が取れないことが課題だった。風洞実験では、考えるよりもとにかく何百のパーツを計測するという風潮があった。「なぜダウンフォースが増減したか」という考察は後回しになってしまっており、開発効率の向上に限界が感じられたという。一方、従来の風洞実験の可視化手法では、流れを観察してメカニズムを理解することは容易ではなかった。そこで新たな可視化手法としてPIVを採用することにしたという。

トヨタのF1空力開発では、風洞の常設PIVシステムを構築。上部3点の図は、左から風洞測定部の様子、測定部の模式図、測定部の外側に配置したPIVシステム。下部の4点の図は、左上からフロントホイール後流、フロントホイール後流の斜め断面、床下の流れ場を下から見たもの、車両周囲の流れ場。

より実用的な可視化手法としてPIVを採用

　風洞で流れを観察する簡単な方法には「タフト法」（糸を張って流れを可視化する）があるが、これは目安程度に使うものだ。オイルフローは蛍光塗料を混ぜた油をモデルに塗布して流線を観察する手法で、表面の流れを詳細に観察できる。一方、空間的な速度場を計測するためには、ピトー管をトラバース（移動）させながら計測するか、レイク（熊手）状にして同時に計測する方法しかなかった。だがこれらの方法は侵襲的で、流れ場に影響を与えてしまう。そこで非侵襲的手法としてPIVを導入することにしたという。PIVは空気中にμmオーダーの粒子を投入し、この粒子を時間間隔を開けて撮影することにより速度場を求める。今回の実験では2次元断面における2速度2成分（2D2C）の速度場を測定した。撮影は面状に広げたパルスレーザー（レーザーシート）を20μ秒程度の間隔で照射して、パルスレーザーと同期させて行う。面内における微小時間後の粒子の移動距離を調べ、これにより速度分布を求める。