中島 卓司助教にインタビュー!

中島 卓司助教にインタビュー!

シミュレーション&実験による自動車・船舶に関する流体工学的研究。

風や水の動きを解明し、工業製品づくりに活かしていく研究。

中島先生1

 広島大学が誇る研究施設のなかに、「風洞装置」と「試験水槽」というものがあるのをご存知でしょうか。風洞装置は風の流れを再現するもので、2014年にリニューアルされ、ゲッチンゲン型風洞が設置されました。また、試験水槽は曳航(えいこう)水槽と呼ばれるもので、船などの模型を曳航電車で曳航(引っ張って航行すること)して、各種試験等をおこなうことができます。

 私の研究ではまさにこの両施設を活用しています。私の研究は、一般的には「流体工学」と呼ばれる分野で、流れるものがどのように動いて、その動きによってどのような物理現象が起こるのかを考えていくものです。流体にもいろいろありますが、代表的なものは「空気」と「水」です。例えば、自動車は空気の中を走るので、スピードが上がってくると、空気抵抗の影響を大きく受けます。飛行機も空気の力で空を飛びますし、船は水の上に浮かんでいます。私が所属する「輸送・環境システム流体研究室」では、こうした空気や水の流れをうまく使って、性能のいい乗り物を作りましょうといった研究に取り組んでおり、なかでも私は主に自動車や船舶をとりまく流体を対象とした研究をしています。

 ところで、空気と水は、肌で感じることはできても見えませんから、どんな動きをしているかをつかむのは、実は大変難しいのです。そこで私は、「コンピュータシミュレーション」と「実験」を研究の道具として使っています。
 シミュレーションは、とりわけ自動車開発に大変重要な役割を果たしています。例えば、スーパーコンピューター「京(けい)」を使った自動車空力シミュレーションには、多くの自動車メーカーや大学等の研究機関が参加して、次世代空力シミュレーションを実現しました。私もそのメンバーの一員として大変有意義な経験を積むことができ、自動車や船の周りにできる空気や水の動きをコンピュータで描き出すシミュレーション技術を、研究の第一の強みとしています。
 一方で、シミュレーションはどこまでいっても仮想現実なので、「その結果は本当なの?」と問われると、返す言葉が見つからないことがあります。そのため、実際に測ってこうだったんですよと言えるように、実験をおこなうことにしています。つまり、現実世界では測るのは難しいけれども、こんなことが起こってるはずですということをより信頼できる形で出せる「シミュレーション」と、「実験」でこういう結果が出たから、シミュレーションで言っている、あの新しい現象はやっぱり正しかったと言えるという、そういう2つの方法で理論をがっちり固めていく。その両輪で進む方式を取っているのが、私の研究の個性と言えるかと思います。

空気を水に置き換え、広大の大型水槽で、自動車の空気抵抗を測定する。

 私は自動車関連の研究に数多く取り組んでいます。ここで、そうした研究の一端をご紹介しようと思います。
 まず、走行中の自動車を考えてみましょう。走っている自動車には、空気の抵抗と、タイヤによる転がり抵抗がかかってきます。このとき、タイヤの抵抗は速度が変わってもほとんど変わりませんが、空気の抵抗は速度の二乗でどんどん増えていきます。二次関数で増えていくので、100km/hぐらいになるとそれはかなり大きなものになります。

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 例えば、120km/hで高速道路を走っているときに、1割空気抵抗を減らしてあげると、5%ぐらい燃費が良くなるという風に言われています。地球温暖化を背景として、自動車の省エネ化は、自動車メーカーさんの果たすべき大きな課題となっていますから、各社さんとも、燃費を1%でも向上したいということで、こうした研究に熱心に取り組まれている訳ですね。
 私のところの共同研究では、そうした空気抵抗を減らすために、空気から受ける力をどうコントロールしたらいいかという課題に、流体工学の観点から挑んでいます。特に、自動車メーカーさんの社内でおこなわれる研究と大きく異なるのは、自動車を実際に使用する状態に近い形で、空気の抵抗を考えていくという点です。
 自動車メーカーさんでは、実際の車をトンネルの中に入れて、風を当て、どれだけ空気抵抗が働くのかという実験をされます。「風洞」というのはまさにそうした装置なのですが、自動車が動いていくことによって、前からやってくる風を再現しようとしているので、大変きれいな風を当てることになります。しかし、実際の道路では、風は前方から吹いてくるだけではなく、横からも吹いてくるし、ハンドルを切って進めば斜めにも風を受けます。さらに風も、台風のときもあれば、そよ風のときもある。ここでは、そうした現実に起こり得るさまざまな風の影響を考えていこうとしています。
 その際のユニークな実験のひとつに、「水槽試験」があります。これは、空気では測定が難しいものを、水を使って再現しようとするもので、例えば前述の、ハンドルを切って進むときの斜めからの風というのは、風を曲げることはできないので、どう当たっているかを知ることは大変難しいんですね。曲がった風洞を作っても、風は外側に寄っていってしまいます。ところが、広島大学には特に船舶系の研究施設が大変充実していますので、そのうちのひとつ、曳航水槽を使えば、ハンドルを切って走っているときの状態がそのまま再現できるのです。上部から吊った自動車模型の中にセンサーを仕込んで、水の中を進ませる。そうした実験ができるのは、世界でも数件程度です。なかなか他ではできない、独自性のある手法を取ることができるのは、実験施設の充実した広島大学ならではのことと感謝しています。

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 その他にも、ある自動車メーカーさんとの共同研究では、風洞の中に可動式の羽根を取り付けて、時間とともに風向きが変わるときの空気抵抗と車の形の関係を調べてみたところ、これまで知られていた測定結果とは異なる結果が得られる車の形がありました。そのとき発見した現象を解説した論文は、2019年に自動車技術会賞の論文賞をいただくことができました。
 このように、現実に近い状態で何が起こるのかを考えることは、近年の流体工学の研究に求められていることだと思います。

 そのため、シミュレーションの場合にも、単に空気の力と車の動きだけを考えるのではなく、例えば、風にあおられて斜めに進んだ車を、ドライバーがハンドルを切って元のレーンに戻そうとするといった、ドライバーの反応まで含めたシミュレーションを作成するなど、現実を想定した工夫を盛り込んでいます。

学びに無駄なし。何事にも挑戦。人間の感覚と流体工学的な数値が近づく日を。

 この研究のおもしろいところは、やはり、実際に世の中にある身近なものを扱っているというところでしょうか。空気や水は見えないので、輸送機器のまわりで何が起こっているかというのは、想像するほかはありませんが、そこをイメージするおもしろさがあります。加えて、自動車のあそこのあの形の部品は、空気抵抗を減らすためにつけてるんだななどと、街なかで眺めては想像する楽しさもありますね。そのうち、自身の研究成果も形になって、ふいに目にするようになるかもしれません。
 さて、この研究を始めたきっかけを遡ってみますと、まず、高校生の頃の私は、「レーシングカーのデザイナーになりたい」と思っていました。それを叶えるべく、進学先を選んだはずでしたが、学部生時代の研究室は、宇宙に近く空気が薄い世界の流れについて研究するところでした。そこで、大学院では夢の実現を図るべく、どこに進もうかと考えていたときのこと、大学の図書館で、レーシングカーの開発エンジニアさんと一緒に東大の先生が記事を書かれている学会誌をたまたま目にしたのです。よし、この先生のところに行こう!と決めて院試を受け、晴れて入学したのですが、なぜかここでも、「いま、車のまわりの空気の流れの研究はやっていないよ」と言われることに。それでも、ドクターの3年生のとき、研究室の先輩にあたる先生が、レーシングカーの空力、車体まわりの空気の流れの研究をやるという話をされていたので、それに混ぜてもらったのが、いまの研究のスタート地点になりました。
 なかなか遠回りをした感がありますが、いま研究で活用しているシミュレーション技術は、学部生の頃に学んだものです。また、ロボコンのサークルに入っていたので、電気電子的な知識やマイコンのプログラミングなどはサークルのメンバーがやっているのを見てかじったところがありますし、私自身はもっぱら肉体労働担当でしたが、いまなにかしら工夫した装置を作って実験をしましょうとなったときには、このあたりの経験が大いに役立っていると思うのです。つまり、何を勉強しても、“無駄になることはあまりない”というのが私の信条で、研究というのは、「あきらめない・なんでもやってみる」というのが大事だと思っています。
 さらに、うちの研究室や専攻は、「チャンスは与えつつ、自主性を重んじる」という気風です。この自主性というところ、皆さんはどんな風に考えるでしょうか。私は次のように捉えています。
 世の中には答えのない問題がいっぱいあって、むしろ、自分で問題を設定して、それを、答えがないけれども解いていかなければいけない。その姿勢こそがおそらく、言葉を変えれば「自主性」であったり「創造性」であったりするのでしょう。私がその必要性や、それに対してどのようにやればいいのかをなんとなく分かったのは、もうドクターを卒業する頃でした。こうした経験を踏まえて、私の指導学生さんには、ぜひとも、もっと早い時期にこうしたことを理解してもらって、大学院やその後の研究、あるいは社会人としての生き方に、生かしてもらいたいと思っています。なんだかおもしろそうな研究室だな!とか、こんな研究をやってみたい!などと思った方がいれば、ぜひうちの研究室をめざしてもらいたいと思います。
 そして、これから先、難しくてまだどうすればいいのか見当もつかない研究目標のひとつに、「人間の感覚的なところと、いま取り組んでいるような力学的なところとを、できるだけ近づけていきたい」というのがあります。というのも、自動車メーカーさんの話では、自動車の最終的な評価をするときに、なにがしかの数値のクリアではなく、あくまでもプロドライバーさんが乗ってみてGOを出す、つまり、“人間が決める”世界がまだまだたくさんあるのだそうです。しかも、いくら空気抵抗を減らせる形状になっていても、カッコよくないと自動車は売れません。やはり、そこの評価も“人間が決める”ものなので、人間の感覚と力学的な研究成果とを近づけていくことが、これからのものづくりにとって重要なことなのではないか。そんなあたりをめざしていきたいと思っています。

中島 卓司 助教
Takuji Nakashima
輸送・環境システム流体研究室

2000年3月 京都大学 工学部 物理工学科 卒業
2002年3月 東京大学大学院 工学系研究科 修士課程 修了
2005年9月 東京大学大学院 工学系研究科 博士課程 単位取得済み退学
2005年10月~2006年3月 北海道大学大学院  工学研究科 学術研究院
2006年4月~2006年9月 北海道大学大学院  工学研究科 博士研究院
2006年5月 東京大学大学院 工学系研究科 博士課程学位取得(博士(工学))
2006年10月~2007年3月 広島大学大学院 工学研究科 助手
2007年4月~広島大学大学院 工学研究科 助教
2010年10月?2011年3月 バルセロナコンピュータセンター (Spain) 客員研究員

 


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