回転するタイヤ周りの流体音響シミュレーション -...

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流体音響シミュレーション流体音響シミュレーション流体音響シミュレーション流体音響シミュレーション

横浜ゴム株式会社

小石正隆

NEC C&Cシステム SP研究会第133回研究会

2014年11月11日

2THE YOKOHAMA RUBBER CO.,LTD. 2014

REIFEN 2014 Innovation Award を受賞

The award was presented in recognition of innovative simulation technology developed by Yokohama Rubber researchers working together with a team of researchers led by Professor Kozo Fujii at ISAS/JAXA.

ISAS : Institute of Space and Astronautical ScienceJAXA : Japan Aerospace Exploration Agency

The team succeeded in the world's first simulation of near real-scale flow structures around a tire rolling on a road surface and the acoustic waves generated from these structures.

http://www.yrc.co.jp/release/?id=2256&lang=ja&sp=40 http://www.reifen-messe.de/worlds-leading-fair-of-tire-industry/


イノベーションへとつながる、「気付き」と「発見」

シミュレーションの目的


The flow (V) blowing out from a tire house in lateral side are clarified to have an impact on increase of coefficient of drag, CD.

The vortexes (IV) under the floor affect vehicle’s trailing vortexes (II) and are clarified to have an impact on increase of CD.

Nouzawa, T. et al, Transaction of JSME B, vol.75, no.757, 2009

タイヤハウス内の流れや床下流れは車両のCDに影響している

もしそうならば、車両のCD をタイヤで低減できるかもしれない！

シミュレーションからの気付きと発見


2012年12月にインサイドフィンタイヤを提案CFDと風洞試験により、インサイドフィンタイヤで車両の CD を低減できることを示したシミュレーションからの気付きによって、タイヤに新たな機能を付加することができた

インサイドフィンタイヤのプロトタイプ(TOKYO AUTO SALON, Jan. 11-13 2013, JAPAN)

insideoutside

インサイドフィンタイヤによって車両周りの流れを改善(by CFD)

ＣＦＤと風洞試験により、インサイドフィンタイヤの有効性（車両のCD低減効果）を確認

タイヤの新たな機能


タイヤの振動に起因するノイズの研究は行われてきたが、空気力学的な研究についてはこれまでほとんど例を見ない

本研究の目的

これまでと異なる（空気力学的）視点から、タイヤノイズに関連する現象を確認すること

通過騒音の低減や空力性能の向上に繋がる技術的ブレークスルーを発見すること

タイヤ騒音

空気伝搬音

室内（車内）音

室外（車外）音

スキール音等

パターンノイズ

通過騒音

直接音（タイヤからの直接放射）

固体伝搬音

路面が加振源

タイヤが加振源

ロードノイズ（空洞共鳴音）

間接音（タイヤが振動伝達）

停止時ゴー音転舵音

ビート音等


問題設定

移動する路面上で回転するタイヤ (無響室を模擬した条件)

• タイヤサイズ : 215/55R17• スムースタイヤ（溝無し）• 一方向の流体構造連成

(タイヤの接地変形を考慮)• 主流の無い非圧縮性CFD

パラメータ今回の解析実スケール

マッハ数（回転速度に基づく） 0.1 0.1

レイノルズ数（タイヤ径、回転速度に基づく） 1.0 × 105 1.0 × 106


計算格子

境界適合座標系と重合格子法を適用

計算格子格子点数

タイヤ格子 15,000,000

背景格子 50,000,000

•内挿によって異なる計算格子間での変数を交換

•地面の下は計算しない

提案する計算格子従来の計算格子


計算手法

支配方程式圧縮性Navier-Stokes方程式

空間離散化 6次精度コンパクト差分

空間フィルター 6次精度3重対角(α = 0.40)

時間積分 ADI-SGS (2次精度後退差分)

LESによる直接解法で音響解析

二つの壁境界に挟まれた空間の解法提案（接地面付近）

▸ 重合格子法を用い、タイヤ周辺はタイヤ周辺格子地面付近は背景格子

で解像（接地面ギリギリまで）

▸ 接地面極近傍の内部点に解を外挿し、埋め込み境界法を用いる


瞬間圧力場

Edge of moving groundEdge of moving ground

従来の計算格子提案する計算格子

Numerical error

瞬間場の計算結果（従来の計算格子との比較）

接地前端部と後端部、また、タイヤ格子と背景格子の接合部で見られた数値誤差を取り除くことに成功


瞬間場の計算結果（従来の計算格子との比較）

渦構造 (速度勾配テンソルの第二不変量の等値面)

従来の計算格子提案する計算格子

Edge of moving groundEdge of moving ground

Numerical error

タイヤ表面とタイヤ後方の路面近傍で細かな渦構造が認められる.


タイヤ接地面前方を中心とする同心円状のSPL分布

✓ 690 [Hz]で特に強く生じる

路面上の音圧レベル分布

SPL [dB]50 100

345 [Hz] 690 [Hz] 1380 [Hz]

音圧レベル分布


周波数領域でのスナップショットPOD

• 短時間フーリエ変換を繰り返し，特定の周波数領域のモードのみを抽出

• 乱流場に施すと非常に多くのモードが抽出され、支配的なモードを特定しにくい

時間領域でのスナップショットPOD

圧力変動の固有直交分解（POD）


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10080

6040200

第1モードはタイヤ接地面前方を中心とする同心円状の分布

第2モードはタイヤ接地面側方から拡がる分布

接地面前方での圧縮・膨張による単極子音源

エオルス音等に見られる双極子音源

SPL

第１モード第2モード

地面上の主要モード（138 [Hz]）

周波数領域でのPOD

エネルギ

ー比

率[%]

モード


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10080

6040200

第1モードは，タイヤ接地面付近から前後左右に指向性を持った分布

四重極以上の複雑な音源構造を持つ

多くのモードにエネルギーが分配されているSPL

周波数領域でのPODエネルギ

ー比

率[%]

モード第１モード第2モード

地面上の主要モード（1380 [Hz]）


まとめ

高レイノルズ数で回転するタイヤ周りの流れ，特に接地面付近も安定に解く枠組みを構築した

回転するタイヤ表面と路面近傍で生成される細かな渦構造を捕捉できた

接地前端から発生する同心円状の音響波を初めて捕捉できた

周波数領域のPODを適用することで以下のことが分かった低周波域では接地前方に単極子音源高周波では4重極以上の複雑な多重極音源

REIFEN 2014でイノベーションアワードを受賞した

今後、このシミュレーション技術を利用して通過騒音の低減や空力特性の向上に繋がるブレークスルーを発見できると期待している

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