本事例のトピック
- オープンカー（NAロードスター）の「オープン時」と「クローズ（ハードトップ装着）時」の空力特性の違いを、LS-DYNA ICFDソルバーを用いた高精度なCFD解析で比較検証
- 乱流モデルにVMS-LES（Variational Multi-Scale Large Eddy Simulation）を採用することで、フロントウィンドウ上端からの剥離や車室内への巻き込み流など、非定常な渦構造を忠実に再現
- 解析の結果、クローズ時はルーフに沿った整流効果により空気抵抗（Cd値）が大幅に改善される一方、オープン時はキャビン後方に発生する大規模な乱流渦が抵抗増大の主要因であることを特定
今回は流体解析の受託解析事例として、NAロードスターのモデルを使用したCFD解析によるオープンカーのオープン状態とクローズ状態の空気抵抗（Cd値）、および乱流発生状況の比較を行います。
使用するソルバーは前回同様、LS-DYNAのICFDを使用し、乱流モデルは高精度なVMS-LESを採用しました。タイヤの回転や床下詳細形状は省略した簡易モデルではありますが、オープン/クローズの相対比較として、流体現象のメカニズム解明に焦点を当てています。
| 解析ケース | オープン状態 (Open Top) |
クローズ状態 (Hardtop Closed) |
|---|---|---|
| Cd値 (空気抵抗) |
大きい (High Drag) 剥離と乱流により抵抗が増大 |
小さい (Low Drag) スムーズな流線により抵抗減少 |
| 車室内の快適性 | ウィンドシールド上端から剥離した気流が車室内へ巻き込み、乗員の快適性を損なう。 | ルーフが気流をガイドし、後方へスムーズに流すため、車室内は静穏に保たれる。 |
【流速分布図による流れの可視化】
まずは、車体中心断面における流速分布（Velocity Contour）を確認します。
オープンではウィンドシールド後端からの剥離による乱流が強く発生していることがわかる。クローズではルーフ後端で発生する剥離による乱流がみられる。（上：オープン、下：クローズ）
クローズ状態（下図）：
気流はハードトップの形状に沿ってスムーズに流れ、トランク後方できれいに剥離しています。これがCd値低減の主な要因です。
オープン状態（上図）：
ウィンドシールド上端（ヘッダーレール）で気流が大きく剥離し、そのまま車室内へ巻き込んでいる様子がはっきりと確認できます。この巻き込み風が、オープンカー特有の髪の乱れや風切り音の原因となります。
【圧力分布（Pressure Contour）の比較】
流速と同様にオープンではキャビンに複雑な乱流渦が見られ、流れが安定しない。クローズではオープンよりも明らかに車両後ろ側の流れが安定している。（赤：高圧、青：低圧）
圧力分布を見ると、オープン状態では車室内（キャビン）の圧力が周囲よりも高くなっていることが分かります。これは、剥離した気流がキャビン内に滞留し、動圧が静圧に変換されているためと考えられます。
【Cd値の比較】
オープン状態を100とするとクローズ状態では80。ハードトップは20%の抵抗削減に寄与している。
【Q-criterionによる乱流渦の可視化】
最後に、渦の強さを表す指標であるQ-criterion（Q値）を用いて、目に見えない乱流構造を可視化しました。カラースケールは流速を表し、モコモコした形状は渦の大きさを表します。
Q-criterionによる乱流渦構造の可視化をしたもの。オープンのウィンドシールド後端から発生する乱流渦は車両後方まで影響する。（左：オープン、右：クローズ）
解析技術メモ：Q-criterionと空力抵抗
上図で大きなISOサーフェスが見られる領域は、強い渦が発生している箇所を表しています。
- クローズ時：車体後方にのみ渦が発生しており、これは一般的なセダンやクーペと同様の「後流渦」です。
- オープン時：シート後方やキャビン内部に複雑かつ大規模な渦構造が発生しています。流体力学において、こうした渦の生成はエネルギー損失（＝空気抵抗）に直結します。
LS-DYNAのICFDソルバーは、こうした非定常な剥離現象や渦の生成・消滅プロセスを捉えるのに適しており、今回のような「形状変化による空力性能への影響」を定量的に評価することが可能です。
本解析により、オープンカーのクローズ状態がいかに空力的に有利であるか、そしてオープン時の爽快感と引き換えに発生する乱流メカニズムが視覚的に明らかになりました。リアスポイラーの効果を発揮するならクローズ状態がよさそうですね！
今後は、揚力（Cl値）の変化や、より詳細な風切り音解析などにも応用していく予定です。また、今回の解析事例はサンルーフのウィンドスロッブ音の解析にも役立ちます。
その解析課題、GRMが解決します。
本記事でご紹介した「LS-DYNAによる流体解析（CFD）」や「空力デバイスの効果検証」を、御社の製品開発に適用しませんか？
「現状のモデルを見てほしい」「テスト解析を依頼したい」など、技術的なご相談からでも大歓迎です。
※「記事を見た」と書いていただけるとスムーズです。
※技術のご相談は各事例モデルの解析担当者に対応させます。
この記事の監修・執筆チーム
GRM Consulting株式会社 解析エンジニアリング部のロードスター乗り
モータースポーツ最高峰のF1から量産車開発まで、20年以上にわたり構造設計・衝突・振動・流体解析に携わるスペシャリスト集団。
単なるシミュレーション結果の提示に留まらず、本記事のような乱流モデルを用いた非定常CFD計算を得意とし、製造要件（鋳造・鍛造・押出成形・板金・CFRP）を考慮した「造れる設計」を提案しています。
- 主要ツール：LS-DYNA, Abaqus, Genesis, Nastran, OptiAssist, Simcenter 3D
- 専門領域：構造最適化、衝撃エネルギー吸収体最適化、CFRP複合材解析、衝突解析、CFD解析