車の空気抵抗と境界層の関係
車を知りたい
先生、境界層厚さの説明で、『ρ/lはρlU/μの平方根に逆比例する』とありますが、なぜそうなるのか教えてください。
自動車研究家
良い質問ですね。その式は、実は境界層厚さを理論的に推定するときに出てくる式なんです。具体的には、流れを記述するナビエストークス方程式という難しい方程式を、境界層内では粘性項と慣性項が同じくらい重要になるという仮定のもとで簡略化して解くと導かれます。
車を知りたい
ナビエストークス方程式…難しそうですね。でも、それでρ/lがρlU/μの平方根に逆比例することがわかったんですね！
自動車研究家
その通りです。重要なのは、この式から境界層厚さが流体の密度、粘性率、速度、そして物体長さによって変化することがわかるということです。特に、粘性が小さいほど、境界層は薄くなることを覚えておきましょう。
境界層厚さとは。
自動車用語の「境界層厚さ」について解説します。粘性の低い流体中を速度Uで移動する薄い平板を例に考えてみましょう。平板表面の流体の速度は0ですが、表面から少し離れると速度はUまで増加します。この速度変化が生じる領域を境界層と呼びます。境界層の厚さをδ、平板の長さをl、流体の密度をρ、粘性率をμとすると、δ/lはレイノルズ数（ρlU/μ）の平方根に反比例します。レイノルズ数は流体の粘性を表す指標で、水や空気のような粘性の低い流体では非常に大きな値を示します。そのため、境界層は非常に薄くなります。実際には、風洞実験などにおいては、境界層内の風速が断面平均風速の99%になる地点までの距離を境界層厚さと定義することが多いです。
境界層とは？
車が走行すると、車体表面に沿って空気の流れが生じます。この流れは、車体から離れるにつれて次第に速くなり、最終的には走行する車の速度に近づきます。しかし、車体表面に非常に近い領域では、空気の粘性のために流れが遅くなり、速度はほぼゼロになります。 この、空気の流れが遅くなっている車体表面近くの薄い層を境界層と呼びます。
境界層厚さと空気抵抗
車の周りの空気の流れ、すなわち空気抵抗は、燃費に大きく影響します。この空気抵抗を減らすためには、車体の形状を工夫する必要があります。特に、車体表面に沿って流れる空気の層である「境界層」が重要な役割を果たします。
境界層は、車体表面に接する部分では速度が遅く、車体から離れるにつれて速度が速くなるという特徴を持っています。この境界層の厚さは、空気抵抗に直接影響を与えます。境界層が薄いと、空気の流れがスムーズになり、空気抵抗は小さくなります。逆に、境界層が厚くなると、空気の流れが乱れ、空気抵抗が大きくなってしまいます。
そのため、自動車の設計では、境界層をできるだけ薄く保つように、車体の形状や表面の素材が検討されています。例えば、車体の表面を滑らかにしたり、突起物を減らすことで、境界層を薄くすることができます。また、最近では、航空機の翼にヒントを得た、境界層を制御するための小さな突起を車体に付ける技術も開発されています。
レイノルズ数の影響
車が走行するときに受ける空気抵抗は、燃費に大きく影響します。そして、この空気抵抗を左右する重要な要素の一つに「境界層」と呼ばれるものがあります。境界層とは、空気の流れが車体表面の影響を受けて遅くなっている層のことを指します。
この境界層の厚さや流れの状態は、レイノルズ数という値によって大きく変化します。レイノルズ数は、流体の粘性、速度、物体の大きさによって決まる無次元量で、流れが層流（規則的な流れ）になるか乱流（不規則な流れ）になるかの指標となります。
一般的に、レイノルズ数が小さい場合は層流になりやすく、境界層は薄くなります。一方、レイノルズ数が大きくなると乱流に移行しやすく、境界層は厚くなります。 層流境界層は空気抵抗が小さいのに対し、乱流境界層は空気抵抗が大きくなる傾向があります。
つまり、車体周りの空気の流れを制御し、レイノルズ数を適切に調整することで、境界層の状態を変化させ、空気抵抗を低減することが可能になります。
境界層制御の重要性
自動車の燃費向上や高速走行時の安定性確保において、空気抵抗の低減は非常に重要な課題です。空気抵抗は、走行する車が空気中を進む際に受ける抵抗力のことで、速度の二乗に比例して増大します。つまり、速度が速くなるほど空気抵抗の影響は大きくなり、燃費や走行性能に大きく影響を与えることになります。
この空気抵抗の約6割を占めているのが、車体表面に発生する「境界層」と呼ばれる薄い空気の層に起因する摩擦抵抗です。境界層は、車体表面に沿って流れる空気の流れが、粘性によって遅くなっている層のことです。この層内では速度勾配が生じているため、運動量を輸送する際にエネルギー損失が発生し、これが摩擦抵抗の主な原因となります。
そこで、燃費向上や走行性能の向上のためには、境界層を適切に制御し、摩擦抵抗を低減することが極めて重要となります。境界層制御とは、車体形状や表面性状を工夫することで、境界層の乱流遷移を遅らせたり、剥離を抑制したりする技術のことです。例えば、ゴルフボールのディンプルのように、車体表面に微細な凹凸を設けることで、境界層内の乱流を促進し、剥離を抑制する効果が期待できます。
境界層制御は、自動車の空力性能向上に欠かせない技術の一つであり、現在も様々な研究開発が進められています。今後の技術革新によって、更なる燃費向上や走行性能の向上が期待されます。
自動車設計における応用
自動車の設計において、空気抵抗の低減は燃費向上や走行性能の向上に大きく貢献するため、非常に重要な要素です。そして、空気抵抗を考える上で欠かせないのが境界層の存在です。
境界層とは、車が走行する際に車体表面に沿ってできる薄い空気の層のことです。この層内では、空気の速度は車体表面に近づくほど遅くなり、車体表面では0になります。 境界層は、空気抵抗の発生に大きく関わっており、境界層の状態を制御することで空気抵抗を効果的に低減できます。
自動車設計では、境界層の剥離を抑制するために様々な工夫が凝らされています。例えば、車体の形状を滑らかにすることで境界層の剥離を遅らせたり、リアスポイラーなどのエアロパーツを装着することで境界層を積極的に制御するなどが挙げられます。
このように、自動車設計において境界層を理解し、制御することは、空気抵抗低減のために非常に重要です。 車両の燃費向上や走行性能向上のため、日々進化し続ける自動車設計の中で、境界層は今後も重要な役割を担っていくでしょう。