
駄文・長文につき、お暇な人限定です。
空力の「く」の字も知らないド素人なので、間違っている可能性は大いにありますので悪しからず。
今回は特にお題に興味があれば大丈夫?かと。(周知でありきたりなお話なので本気でヒマな話題かも?)
そういえば、京都は斎藤商会さんにてエアコンに丸山モリブデン入れてきました。急な変化はありませんが、エンジン同様若干静かになり、震動が減ったような気がします(気のせいレベル)w
さて、音と空気の考察で、そういえば音のお話をしてなかったような?気がしまして、今回は音を主に・・・はしません。(しないんかいw)
音は震動が伝わる速度と比例するので考えるのは楽ですから、見えなくて聞こえなくて、それでも燃費問題とは切っても切れない方、空気の流れを考えていきましょう。(音の問題はコレより簡単なので。)
長くて長方形×四角形程度の、木の棒を思い浮かべて下さい。コレが空中(お風呂の中でも可)を進むと考えると空気の流れは解り易いと思います。
進む側の表面から、空気は圧縮されて側面へと逃げていく事は容易に想像できると思います。
じゃぁ、物体が動くと元いた場所にあった物体が無くなるので、ソコに負圧が発生し、気流が生まれますよね?
で、この気流は正面から見て正方形だとすると、中央から綺麗に平面にそって分割し、中央に向かって気流は流れ込むワケです。
つまり、物体が進む側には正圧がかかり、その後ろ側には負圧が移動した分だけ発生していると考えられるワケです。
抵抗と考えると、圧力側では気流を分散させるためにチカラが必要でコレを空力抵抗と表していると思われ、そのまま後ろでは加圧された分、後ろでは吸引力としてプラスとマイナスが釣り合った状態になっているハズです。
ここが無視できない部分だと思われ、通常の四角い棒で考えると中央から分離した気体が物体が通り抜ける事で元に戻るとすれば、中央に吸い寄せられる形で集合すると考えられます。これが素直な流動だと仮定します。
この仮定から、ソコに板を置いて道路と見立てた場合、車が道路の上にある状態を作成できると思います。
この状態で某を移動させると、気流は主に3方向へ分離し元に戻ろうとする力も3方向から集合する事になると考えられます。
そして、その時の形状を考えると前面は空気を押しつぶすような楕円形になっている事が昨今の車だと多いと思います。後ろは?上下に対しては地面に対して半流線形となっており、途中でスパっと切ってある状態が多いと思います。
スパっと切った形状であれば何が良いのか?一応、棒切れの流れだと、その終わりで垂直に気流が戻る形状になりますが、流線形の一部、特に最初のカタの部分までを造型している場合、気流の最初の角度に対して応力がかかると考えられます(ここで気流の乱れがの増大部分発生するが、その乱気流の発生率を下げれる)すると、気流の乱れ=損失と置き換えて、最後まで流線形を維持できないとしても最初のカドをつくってやるコトで以降の抵抗を減らす事が可能という事になります。
中途半端になるより、カドが立ってる方が気流が剥離するため、速度領域では気流剥離を起こしやすく、結果として後部に発生する流れは流線形に近くなる=乱れが生じにくく、合流を妨げない=抵抗が少ないという理屈です。
また、切れ角の問題はありますが、最後まで流線形になっていない理由ですが最後まで流線形形状にするとその形状にあった速度領域では最高の効果を得る事が可能となりますが、少しでも外れてしまうと他の形状との差異が見出せなくなってしまうという理由があると考えます(この辺りは実証になるモノがないので想像)。
※厳密には違いはあれど、車の大きさの制限から結果として50歩100歩の世界へ入る、と。
差異が少ないのであれば、おそらくは無駄な車長延長や、不細工な形状よりも車としての形状の方が好みの差では好感度、つまり売れるという予測になり、結果として形状そのものよりも販売数をみこめる方向へとなる可能性が高くなるのでは?と思います。
次に、回り込みを考えた場合ですが、最初に物体抵抗により、切り分けられた空気と考えると空気は回り込む物体であり、性質は粘質であり、波打つ等の水のような性質があります。気体なので感じる事は少ないですが、短距離走や素早く手を動かす時に体感できる人はいるかもしれないレベルで。
さて、そうすると、最初の物体抵抗により空気が分断されると、粘質により物体の近くを、回り込みながら波打つ事になります。なお、この波が可聴領域に入ると音になるという理屈です。
つまり、物体にそって回り込みながら物体形状に近い波を形成すると考えられます。
もちろん物体が砲弾型だとしても、同様に波打ち回り込み、粘着した渦が形成されると考えられます。
この渦は物体の相対移動速度に応じて小さくはなりますが、小さい程エネルギーを食べるようです。消えにくい細かい渦になる。この小さい渦を意図的に作り出し、渦による震動はが音域に入るとノイズになるという理屈で、それをこの領域から外すのがボルテックスジェネレーターだと大まかに考えて差し支えないと思います。ま、実際は少し違いますけどね。
音の聞こえる領域と聞こえない領域があるので、この聞こえる領域より範囲を大きくするか、小さくする事で音の周波数外へと周波数をズラす事で聞こえなくなるという理屈が存在します。波では周波数が存在しますので波から渦へと変化させる事で音波という伝達をしないようにすれば、風と音の問題は一部解決という事になります。(低音や震動という部分は残る)
戻して、小さい渦だとどのようなエネルギーを必要とするのか?ですが、小学校の時、運動場等で風が巻いているのを見たコトがありませんか? はたまたお風呂の栓を抜くと渦が発生します。
つむじ風が強くなると竜巻のような細くて強いモノになりますが、最後に消えるときは ふわっ と大きくなる、お風呂だと最初はくるくる回ってるだけの頂点渦がだんだん伸びて細い空気の渦となり、途中で維持できなくなり、渦としては消えてしまいます。つまりエネルギー密度が高くなる風は細く小さく高速で渦巻くモノだという事になり、コレは高エネルギー帯であり移動しにくく変化も少ない、逆にゆっくり移動する大きな渦はエネルギー密度が小さく移動も変化もしやすい、と分類できると思います。(どこからが大きい?という問題はありますが、スピードで違うとだけ。)
この渦巻を利用する事で最近の空力学は進化をしています。後ろの整流もこの渦巻が仕事をしている事が多く、細くて強い渦を意図的に作り出す事で巻き込みによるエネルギーロスを減らす効果があるようです。
この渦巻を利用出来ない部分があります。
それは、リアスバンパー部分。コレに対して空気がどのように移動しているのか?を考えてみると、恐らくはバンパー/トランク後ろの負圧に対して引き込まれるように気流が流れると考えれば、上のガラス面から下に向かって流れる気流と側面のサイドフローで合流する流れは理解が簡単です。
しかしながら、車輪部分の流れについて説明している画像がほぼない(実際に空力特性の画面でもこの辺りは見えない事が多い)、流速解析する時もこの辺りは車の構造で結構違うため、構造解析のコストを抑える事でもっと汎用的な空力を解析できるため、活愛される傾向にある部分だと思います。
でも、それって推論と考察によってこの差を埋めようとする事は無されているのか?という部分です。実際問題、この流れが出ている画像というのは少ないです。
オーバーフロー、サイドフロー、とすれば最後にアンダーフローが
ここで、レース等の車についている形状やモノが違うといった反応があるかもしれませんが、アレは最高速に合わせたモノであって、本来200km/h以上という非常に高速な領域が通常の世界になると、ソコにあわせて設計をするワケです。
逆に平均速度が遅いレース場等では逆に遅い設計がなされる事が普通です。つまり、状況により変化するワケで自分の考えている一般的な状況は後者の平均速度が遅く雨のレース場というのであれば一般道での利用に近いとは思います。
さて、実際の構造を考えていくと、まずフロント側で何が発生しているのか?をある程度理解しておく必要があります。
実際には、ラジエータという部品があって、熱交換を行っている関係でそのままスムーズにフロントから入った空気が後ろに流れる・・・ワケではありません。
フロントで圧縮された空気は一部ラジエータに取り込まれます。残った空気は分裂をして上下左右へと別れる、これが正解です。(厳密にいけばラジエータに取り込まれる空気はほんの一部)
そして、下部分へ別れた空気以外はおおよそ理解できると思いますからここでは割愛(つまり分裂してルーフ上を通って後部で降りてくるコース、左右へ別れてフロントホイールではさらに左右へおしやられてからリアホイール部分で合流しようと戻ってくるようなイメージになります。
ん?どうしてフロントホイールで空気が出て来るのか?という部分で「?」が浮かんだ場合、その認識は合ってます。
通常ラジエータを通された空気は乗員室/荷室があるのでここはそのまま抜ける事は出来ませんから、主に車の下側に排出される事になります。(上に排出するとフロントガラスが曇ったり、種々の問題の元になるため基本は下)
下に排出されると、先の下に潜り込んだ空気と合流してしまうワケで、ここで合流したから一緒に後ろには流れません。
気流圧力でここの気圧はそこまで高くならないため、通り抜けた分だけ下へと潜り込んできた空気はラジエータの暖かくなった空気(元より質量は同じだが堆積が増えている)により左右へ、つまりホイールハウス側へと押しのけられてしまうワケです。
但し、車の下に十分な空間があるクロスロード車両のようなモノの場合、車両下を流れる気流量そのものが多いため、ラジエータ(エンジン)からの空気を排出されてもそれほど気流が乱れる結果にはならない事もあります。
もちろん、瞬間的には圧縮されているワケでここの流れがスムーズでない場合は、場合により高速道路等で「ひゅ~」とかいう音がする場合があります(ウルサイエンジンや排気音だとそもそも聞こえないレベル?)。最近の車でこのような音がしないのは、エンジンアンダーカバーの役割が大きいと思われます。(アレは空気の整流以外にも役割がある)
タイヤハウスはもともとバンパーを左右に分かれてきた空気が最初に出会う凹みであり、大きく陥没している部分を通ります。
それだけなら良いのですが、ここではタイヤ中央部分でバンパー→ホイールハウスの凹み→タイヤー>ホイールー>タイヤー>ホイールハウスの凹み→フェンダーと流れる部分は大変起伏に富んでいるため、音が発生し易い領域ある事は間違いないです。ココに2018年度モデル以降の後期型やCX-8等はボルテックスジェネレータ的に高速領域においては空気を巻いてやるコトで起伏に対して一定の対策を取っている可能性は高いと思います。
※ここの空気を整流してやると、ホイールハウス後ろ側で出てくる空気をフロント版バーで作られたボルテックス流の整流側で出すぎるのを制御できるため、曲がるのを邪魔しにくくなります。逆に通常はスピードが速い領域と遅い領域ではその流れの強さが違うため、特に速い領域では顕著に出て来る空気量にバラツキが出てくるため、操作の安定感を損なう可能性が増えます(車によってかなり違い、また人の感性によって感じ方は全く違うので変化が感じられない人もいます)。
空気の流れは「安定」させる事が重要なので、逆にホイールの出ていく力を安定して出す事が出来れば、同様に車体が安定する感じになると思います。例えば、ホイールを羽に見立てて設計すれば、ホイールから出ている風量がホイール回転数に比例するため、安定した走行になるハズです。
が、この場合、車によっては4輪全部で空気を吸い出すと性能で劣り、吸排気にするとデザイン性で劣ってしまう事は確実ですし、先のワカラン人には判らんのだから、ココは邪魔しない程度のデザインにする事が重要だと思います。
フロントホイールで空気を吸い出してやると、簡単に推測される事象としては、ラジエータから吸い込む空気量が増える(かもしれない)、エンジンを冷やす空気量が増える(かもしれない)、エンジンの絶対的な吸入空気量が増えるため、純正ラム圧が増えて見かけ上の調子が良くなる(かもしれない)、車体下の気圧が減るためハンドル操作が楽になる(かもしれない)といった所でしょうか。
かもしれないという理由は、車の設計次第、パーツ次第でなる場合とならない場合があると推測されます。
車体下でエンジンからの排出が完了した部分からリアホイールまでの間は可能な限りフラットな底面が望ましいと思われます。
理由は先の安定した空気の流れを作り出す事はあらゆる事情に対してプラスに働く可能性が高いと推測されるからです。(厳密には移動速度に応じた形状はあると思いますが、純正で採用されるのは一般道から高速道路までを各社のルールにのっとった走行パターンの最適な形状を是とする事が多いと思われます。