ネットで調べて気になった画像の数々

ネットの画像を見ていて一番気になったのがこの画像です。
ホイールハウスから勢いよく水しぶきが横に噴き出しています。



F1のブレーキングで外側に向かって噴き出すカーボンブレーキダスト


ホイールハウスから大きく横に噴き出す水しぶきとブレーキのカーボンダストの画像を見た時、こんなに横に噴き出していたら相当空気抵抗が増えるだろうと思ったのです。

「空力　シュミレーション」で検索するといろいろな動画が出てきますが下の画像はその中で気になった部分の画像を切り取ったものです。

まずはコンピューターシュミレーションの動画から

この画像はちょっとショッキングな画像です。実際には車はこんなに空気の渦を引きずりながら走っているのです。これでは車体の形状をスムーズにしてもあまり意味がないと思ってしまいました。


これは車体下側からタイヤによって生じる渦流のシュミレーション画像です。タイヤが空気の流れを遮ることで空気の流れは押し広げられ渦流となって後方に流れていきます。




これはホイールハウスから溢れ出す空気の流れのシュミレーション画像です



この画像を見るとホイールハウスから噴き出した空気が渦流となって後方に流れていく様子が良く分かります



これはNISMO GTRの開発動画に一瞬出てくる圧力分布を示すシュミレーション画像です。赤いところが圧力が高く青いところが圧力が低いところです。


この画像の一部を切り取ったものですが、タイヤ接地面前方の圧力がこんなに高くなっているとは思いませんでした。



圧力分布を示すもう一つのシュミレーション画像。やはりタイヤ接地面前側の圧力が高く後ろ側が低いです。



下から見た圧力分布。こちらの方がイメージしやすいです。


圧力と流速の比較　

圧力分布・・・タイヤの前方の圧力が高く後方が低い。


流速分布・・・タイヤの前方の流速は低く後方の流速は高い。


ドラッグレースのバーニングの画像を見るとホイールハウス内空気の流れが良く分かります。
タイヤを空転させて温めるバーニングの映像を見るとタイヤの回転によってホイールハウス内を通ってスモークがタイヤの前方に噴き出される様子がはっきり確認できます。



前方から見るとさらに良く分かります。ホイールハウスはタイヤが回転することによってタイヤの後方の空気を吸い込んでタイヤの前方に吸い込んだ空気を送り込むポンプのような役目を果たしていると考えることができます。



ホイールハウス内に生じた空気の流れは前方の隙間から勢いよく路面に向かって噴き出されタイヤトレッド面に沿って流れる空気はどんどん狭くなるタイヤと路面の隙間に向かって流れていきます。最終的にその流れはタイヤ接地面に遮られて行き場を失い左右に広げられます。空気の流れが左右に広げられる部分にはよどみ点が生じ圧力は高められます。

タイヤ接地面前方の圧力が高まるとホイールハウスから噴出する空気の流れはどんどん行き場を失い最終的にはタイヤ前方のホイールハウスとタイヤの隙間から噴き出す空気の流れも滞ってしまい車体側面に向かってホイールハウス内の空気の流れが噴出するようになると考えられます。



F1カーのタイヤ周辺の流れ・・・F1カーは空力的に優れた車体だと思われる方は多いと思いますが、大きなダウンフォースを得るのに特化したデザインでタイヤがむき出しになっていることによって実はとても空気抵抗が大きいことを知っていましたか。


下の画像を見るとむき出しのタイヤの回転に沿う流れが前方からの風に押し返されているのが分かります。タイヤの抵抗に加え大きなウィングが大きな抵抗となりCd値は0.5とも0.7とも1.0ともいわれています。一般の車のCd値は0.2～0.5くらいなので比べ物にならないくらいF1カーの空気抵抗は大きいのです。



回転するタイヤが前方に移動することで生じる圧力分布のイメージ図です。タイヤは前方の高い圧力によって後ろに押され上方の低い圧力に吸い上げられるので空気の流れはタイヤの抵抗を増やし接地圧を下げるように力が作用してしまいます。



車速の違いによる車体周辺の流れの違い

低速時は車体に沿って流れやすい・・・車体に沿った空気の流れはリヤウィングの上下にきれいに流れる


高速時は車体に沿って流れにくくなる・・リヤウィング下側に沿って流れにくくなるのでリヤウィングで大きなダウンフォースを得にくくなる。リヤウィングは高い位置に装着しないと高速走行時はダウンフォースが得にくくなる



車体背面の渦流を示した画像　･･･車体背面にできる渦流を確認できる珍しい画像。多くの画像は車体の沿ってスムーズに流れている様子を示して車体に沿った空気の流れがスムーズだということをアピールしているものが殆どだげこの画像は珍しく車体背面に生じる渦流が良くわかる。起きな抵抗となるのはこの渦流。



車体背面にできる負圧領域が分かりやすいシュミレーション画像・・・青い部分が周囲より圧力が低くなっている負圧領域です。この圧力の低い部分に周囲の空気を引き込みながら車は前進しなくてはならないので車体は車体は周囲の空気を引き寄せながら移動しなくてはなりません。周囲の空気を引き寄せると同時に車体も圧力の低い部分に引き寄せられるのでその力が空気抵抗となる。渦流の発生と負圧領域の発生が想像以上に大きな空気抵抗を作り出しています。



Cdt値の差をグラフにしてみるとその差が分かりやすくなります・・・流線形の抵抗は桁違いに小さいことがこのグラフでイメージできます。



Cd値を数値で比較したものです。形状を細長くした方が抵抗が少なくなります。真ん中から前の形状より真ん中から後ろの形状が重要で後ろ側に乱れた流れができるかできないかの差がCｄ値0.03と0.3の違いを作っています。



これらの動画や画像を見て思ったことは車体に沿ってスムーズに空気を流すことよりが、タイヤの回転によって乱される空気の流れや車体背面の負圧領域や渦流を小さくすることの方が重要ではないかということです。

車体の空力というと車体の前方の形状を流れやすい形にして上面と側面に沿ってスムーズに流れる形が重要だと思われがちですが、重要なのは実は車体の後ろ側の空気の流れが一番重要なのです。

空気抵抗はCd値だけでなく前面投影面積の大きさに比例して抵抗が大きくなっていきますが、渦流によって生じる空気の壁が実際の前面投影面積を増やし車体の外形を変えてしまいます。下の画像の渦流に沿って流れる空気を想像してみてください。これでは車体のデザインに工夫を凝らし苦労してCd値を0.3から0.2に減らしてもその苦労は台無しになってしまいます。いくら風洞実験の値が良くても実際はたいして変わらないことになってしまいます。

整流板の取り付け方の基本的な考え

車体のデザインをを生かすにはホイールハウスやタイヤ接地面から外側に向かって噴き出される渦流をできるだけ少なくすることが重要です。そして車体背面の負圧領域を狭くし渦流の発生を最小限に押さえるにはもっと積極的に車体背面に空気を送り込む必要があります。

ホイールハウスとホイール内側に整流板を装着することによりホイールとタイヤが回転することによって生じる空気の流れを利用してホイールハウス周辺の空気を車体内側に引き込み車体底面中央に集めて吸い込んだ空気を車体背面に積極的に送り込むというのがホイールハウス整流板の取り付け方の基本的な考え方です。



整流板を取り付けたことによって生じた様々な変化を考えると興味本位で取り付けたホイールハウスとホイールの内側に整流板は、ホイールハウス周辺の乱れた空気の流れを車体の内側に引き込み車体背面に積極的に空気を送り込むということをしてくれたようです。

それではどのように整流板を取り付けることが一番いいのか順番に考えていきます。現状ではまだ試行錯誤している状態でこれがベストだと断言できる状態ではありません。車によってホイールハウスカバーの形状も違うしタイヤとの隙間も違います。

殆どのホイールハウスカバーはタイヤがはねる汚れた水しぶきや小さな石ころなどの遺物によって車体の内側が汚れたり傷つけられたりすることを目的としているだけなので同じ車でも右と左のカバーのデザインが左右対称でない車がほとんどです。

理想はホイールハウスカバーの形状をホイールハウス内の空気の流れを制御できる形状に設計し直すことです。今イメージしている理想の形は下に示すような形状です。







ホイールハウスカバーにぶつかる空気の流れが内側に向かって流れていくように外側よりも内側の隙間が広くなるような勾配をつけたデザインにすることによってホイールハウス内の空気の流れを内側に導き最終的にタイヤの内側とホイールハウスの隙間から斜め後方に向かって噴き出されるようにするものです。



ホイールハウス内の空気の流れを内側にずらすのはタイヤの上方から前方だけで良いと考えるのでタイヤの前方部分だけ内側の隙間を大きくするだけでもいいかもしれません。



更に空気の流れを内側に導く整流板またはカバーの凹凸を設置することで内側に流れの向きを変えることに対する反力を利用して空気の流れによってホイールハウスカバーを前方または下方に移動させるような力を加えることができます。タイヤの後方はタイヤの回転に沿う空気の流れが上向きになるのでタイヤトレッド面の動きに沿って空気が流れやすいようにする直線的な整流板を取り付けた方が良いと考えています。

この空気の流れを整える直線的な整流板は実際の高速道路で試した結果あるとなしでは大きな違いが生じる事が核にされています。こんな整流板はあってもなくても同じだろうと思っていましたが実際には大きな影響を与えるものでした。

今考えている理想のホイールハウスカバーのデザインはこんな感じです。

既存のホイールハウスカバーへの装着方法

ホイールハウスに整流板を取り付けることによって下の図のような流れを作ることを目指します。


タイヤ接地面前方の圧力上昇の原因はタイヤトレッド面の動きに沿ってそのままタイヤ接地面に向かって空気が流れ込むことが一番大きな原因だと考えると、タイヤトレッド面の沿う空気の流れをホイールハウスの内側にずらせば圧力上昇は少なくなるはずです。

現在の殆どの車にはストレーキと呼ばれる空気の流れを遮る板がホイールハウスの前方に装着されています。これは車が前方に動くことによって生じる空気の流れがタイヤトレッド面に直接当たらないようにすることでタイヤ接地面前方の圧力上昇を防ぐのが目的のようです。



しかしこのストレーキのおかげでホイールハウス内から噴き出る空気の流れはタイヤの前方に向かって流れやすくなるのではないかと思います。どちらの効果が大きいのか定かではありませんが、このストレーキの裏側（後ろ側）にも空気の流れをホイールハウスの内側に導く整流板を装着した方がいいと考えています。

ホイールハウカバーの形状は様々なので実際には取り付けてみて効果を見ながら整流板の大きさや数を調整していくことを繰り返していく必要があります。

しかし、ただ闇雲に整流板を増やしていけばいいというものではないため基本的にどういう空気の流れをイメージして装着するかということは重要になってきます。

ホイールハウスとホイール内側に装着する整流板はホイールとタイヤが回転することによって生じる空気の流れを利用してホイールハウス周辺の空気を車体内側に引き込み車体底面中央に集めて吸い込んだ空気を車体背面に積極的に送り込むという基本的な考え方をイメージしながらの取りつけます。

空気の流れというのはその流れを目で確認することも難しいので実はとても難しく整流板の取り付け方を少し変えただけで効果が無くなってしまったり、こんなものでは何も変わらないだあろうと思っていたものが思わぬ効果をもたらしてくれます。

なかなかイメージ通りになってくれないのが空気の流れですが、意識するのとしないのでは結果が大きく異なってくる大原則があります。その大原則は空気の入り口から出口まで流れを遮らないように綺麗に流すという考え方です。現実的には難しいことなのですが空気の流れは一カ所でも流れが滞ってしまうと全体の流れも滞ってしまいます。

そのためには空気の流れの入り口と出口がどこなのか明確にしておく必要があります。ホイールハウス内の空気の流れの入り口はタイヤ後方とホイールハウスカバーの間の隙間がメインの入り口になります。そしてその流れをホイールハウスの上方から前方にかけて内側にずらしながら最終的にタイヤの内側とホイールハウスカバーの間の隙間から斜め後方内側に噴き出すようなイメージで空気の流れを作り出すように整流板を取り付けます。

ホイールハウスの形状は様々なのでこれが正解だというものはありません。必要によりカバーの内側にカバーを追加しても構いません。守らなくてはいけないことはハンドル操作や路面の凹凸を吸収する動きの邪魔をしないように取り付けなくてはならないということです。

あとは空気の流れをイメージしながら整流板を取り付けていきます。整流板は取り付ける位置によって車体を任意の方向に動かす力が加わるようにすることができます。それは整流板が空気の流れの向きを変えることによって空気の力によって整流板を逆に動かそうとする反力が作用することを利用します。

空気の力を利用するにはヨットの帆の空気の流れが参考になります。風によって押されるだけでは風の速さ遺贈の速さで進めませんが帆に沿ってきれいに風を流すことによって揚力をはっせいさせると風の速さ以上の速度を出せます。整流板を取り付ける時も風を受けるのではなく流すというイメージが重要です。



そのためにはホイールハウス内の空気がどのように流れるのかイメージしておく必要があります。ホイールハウス内を流れる空気の向きはタイヤの後方では上向き、タイヤの上方では前向きそしてタイヤの前方では下向きに変わりながら最終的に下向きに路面に向かって噴き出されます。できれば路面に向かって吹き出す向きは真下ではなく内側後方に向けたいところです。
整流板によって流れの向きを変えるように装着すると、整流板にはタイヤの後方では上向きに、タイヤの上方では前向きに、タイヤの前方では下向きに反力が作用します。この力はホイールハウスカバーを介して車体に伝えられ車体を力が加えられた方に移動させようとします。

反力が加わる方向を考えるとタイヤの後ろ側に取り付ける整流板で流れの向きを変えようとすると車体を持ち上げる方向に反力が作用します。これはあまり望まれる力の加わり方ではありません。タイヤの上方の整流板に加わる力の向きは前方なので車体を前方に押し出す力と作用するので車体に加わる空気抵抗を相殺する力として作用してくれます。

タイヤの前方に取り付けた整流板委は下側に押さえつけられる反力が作用するのでこの力は車体を下側に押さえつけるダウンフォースとして作用します。

そう考えるとタイヤの上方から前方に取り付ける整流板は車体を前方と下側に押す力となるのでできれば積極的に利用したいところです。逆にタイヤの後ろ側の整流板には反力が加わらない方が良いと考えられます。
整流板に沿ってきれいに流れるようにしながら向きを変えることが理想ですがそのためには乱れた空気が整流板に当たるよりも整流された空気を整流板に当たるようにした方がいいことは間違いありません。

そこで基本的な考え方はタイヤの後方方上方にかけてのホイールハウス内の空気の流れは流れの向きを変えるのではなくタイヤトレッドに沿うように整流して上方に取り付けた整流板に空気が流れるようにした方が良いと考えられます。

そしてタイヤの上方と前方の整流板で流れを整流板に沿ってきれいに流れるようにしながら内側に導くという考え方をするのがいいのではないかと考えています。

そのイメージで考えた整流板の取り付け例をいくつか下に示します。現状ではどういう配列がベストなのか試行錯誤中でこれが一番良いと言えるものはありません。基本的にはどれもタイヤの後方で整流した空気の流れをタイヤの上方から前方にかけて内側に導くように流れを変えるというものです。

これらの配列を参考にしてどのパターンがよいのかそれとも駄目なのかは検証しながら方向性をまちめていくしかありません。


図面は湾曲したホイールハウスを展開したイメージです。

これは整流板の取り付け角度、湾曲の大きさを少しづつ変えながら取り付けるという考えです。

これは整流板を分割して交互に配列したもの。航空機のスラットやフラップの構造をヒントにしたもの

これはタイヤの上方の整流板を通過した流れを少し整流してからタイヤ前方の整流板に当たるようにしたもの
更に分割した整流板の考えも取り入れた

これはタイヤ上方の整流板を通り過ぎた空気の流れをもう一度整流してからタイヤ前方の整流板にながれるようにしたもの（上側の整流板と前側の整流板を明確に分けた）

ホイールハウス内側の整流板を前方から見たイメージ図






整流板の材料



整流板はホームセンターで売っていたプラスチックのアングル材に切り込みを入れてホイールハウス内側に沿って曲げられるようにしたものを、ブチルゴム製両面テープとアルミテープを使って装着しました。

これだけでは強度不足で高速道路で共振音のようなものが発生したため更にアルミテープでプラスチックのアングル材全体を覆い被せるように貼り付け補強しました。最後に艶消し黒のラッカースプレーを塗布して目立たないようにしました。

装着する時一番重要なことはホイールハウスカバーのクリーニングです。石鹸などを使って汚れを落とした後、シンナーなどで脱脂してから装着しないとすぐ剝がれてしまいます。

今回はプラスチック製のアングル材を使いましたが芯材として硬質発砲シートなどの素材を利用してもよさそうです。現在いいものがないか模索中です。

ホイールの内側の流れと外側の流れ

ホイールハウス周辺の空気の流れを考える時ホイールハウス内側の空気の流れとホイールハウスから噴き出した空気の流れ、ホイールハウスに対するタイヤの動き、車体に沿って流れてくる空気の流れに対するタイヤの動き、これらは考え方によって空気の流れ方が全然違う流れに見えてしまうことも考慮する必要があります。

タイヤは回転すると同時に前方に転がることでタイヤの外周の一点の動きを追いかけるとは回転運動と前進運動が組み合わさったとても複雑な動きになります。移動している車のタイヤの動きを外側から見ると進行方向に対してタイヤの上側と下側では移動速度が大きく異なります。それはタイヤが一定の速度で回転してもタイヤの位置によって横方向に移動する距離と方向が変わってきてしまうからです。

タイヤの上方では進行方向と同じ向きに大きく移動しタイヤの下側では進行方向と反対向きに大きく移動します。タイヤの前後では上下に移動するだけで横方向位置関係は移動しません。この動きをイメージしたのが下の図面です。上側の色分けはタイヤの回転に対するトレッド面の移動距離を示します。ホイールハウスの中ではこのように一定の速度で流れていると考えられます。

一方タイヤの動きを外から見ている人にとってはタイヤの中心が前方tに移動する動きとタイヤが円周上に移動する動きが組み合わさって見えます。そうするとタイヤの上側は車多の移送速度より速い速度で動き、タイヤの下側は接地面では車体が前方に動く速度とタイヤが後ろ向きに動く速度が全く逆になり路面に対して速度差がぜりになります。つまりタイヤ接地面の移動速度はゼロ、スリップしていない状態になります。

逆にタイヤの真上では車体の移動速度の倍の速さでタイヤは前方に移動することになります。何が問題なのかといえばタイヤのトレッド面に沿った空気の流れがホイールハウスから噴き出してしまうと車体に沿って流れる空気に対して逆噴射をするような形で空気が噴出してしまうということになります。

藍屋の上側の外気にさらされている部分は常に実際の移動速度の2倍の速さで移動しているのです。空気抵抗は速度の2乗に比例して大きくなると言われているのでホイールハウスに上部から空気が噴出されないようにすることはとても重要なことになります。

整流板を取り付ける時もこのことを考慮して取り付ける必要があります。そう考えるとホイールハウスとタイヤの隙間もタイヤの上側では広く開けない方が良いことになります。整流板の取り付け方だけでなくホイールハウスとタイヤの隙間もホイールハウス周辺の空気の流れに大きな影響を与えることも考慮する必要があります。


参考にしたYOUTUBE動画

タイヤ回転を伴う自動車走行時周辺気流シミュレーション
https://www.youtube.com/watch?v=QsnXeg9FmLY