ケイデンスのPointwiseとCRUNCH CFDを利用したビッグ ウェーブ サーフボードの最適化

Stephen Barr, Roger Birkbeck, Jeremy Shipman
Combustion Research and Flow Technology, Inc.

過激スポーツであるビッグ ウェーブ サーフィンでは、サーファーはGunsやRhino Chasersと呼ばれる特別にデザインされたサーフボードに乗ります。スピードと安定性を重視してデザインされたビッグ ウェーブ ボードは、サーファーが波のフェイスを落とし、ドライブ中に十分なスピードを出すことで、クラッシュするモンスターウェーブに飲み込まれずに前に出ることを可能にしています。エリート・ビッグ ウェーブ サーファーにとって、優れたスピードと安定性は、サーフボード デザインの重要なパラメータであり、モンスターウェーブを捕らえ、それに乗り....最終的にはそれを乗り切ることができるのです！

ほとんどのボードシェイパーは、ボードの流体力学的な側面に注目していますが、空気力学的な特性にはほとんど注意が払われていません。水面に接しているのはボード表面積の約25％に過ぎないことを考えると、残りの75％は空気力学にさらされていることになります。サーファーはドロップをして、クラッシュする波と競争しながらボトムまでたどり着き、その過程で最高時速50マイルのスピードに達します。

CRAFT Techのエンジニアは、世界トップレベルのビッグ ウェーブ ボードシェイパーと共同で、遺伝的アルゴリズムを使用してボードの空力デザインを進化させる設計最適化プロセス内に計算流体力学（CFD）を適用しました。ケイデンスが提供する自動メッシュ作成ツールを使用することで、大きなデザイン スペースを探索し、空力的に最適化されたボードのリーディング エッジ デザインを作成することができます。このデザインは、サーファーのスピードと安定性を向上させ、波に乗るか、波に飲まれるかの違いを生み出します！

この記事では、100回以上のデザイン反復を可能にしたデザイン フレームワークを探り、より高速で低抗力のビッグ ウェーブ サーフボード デザインを完成させました。最適化されたボードの形状を、従来のベースライン ボードと比較して、自作のテスト治具を用いて空力テストを行ったところ、有望な結果が得られました。完成したプロトタイプのビッグ ウェーブ ボード コンセプトは、北半球に大きなうねりが戻ってくるのを待ち、大きな波で評価されることになります。

ビッグ ウェーブ サーフィン
ビッグ ウェーブとは、波の頂上から谷までの高さが20フィート（6.2メートル）以上の波のことで、気象条件や海流が整ったときに、世界でも数少ない場所で形成されます。

図1：ハワイの有名なサーフスポット “Pe'ahi “、通称 “JAWS” で巨大なビッグ ウェーブに乗る選り抜きサーファー

有名なビッグ ウェーブスポットには、有名なところでは: Peahi/JAWS (Hawaii), Mavericks (California), Teapuhoo (Tahiti) や Nazare (Portugal) などがあります。

モンスター ウェーブに含まれる膨大なエネルギーのため、ビッグ ウェーブ サーフィンは非常に危険なスポーツであり、一握りの経験豊富な超選り抜きサーファーのみが参加しています。同じように、GunsやRhino-Chasersも、経験豊富なエリートのボードシェイパーだけがシェイプしています。文字通り、サーファーの命は乗っているボードの完成度にかかっています（中略）。Gunsは他のサーフボードとは大きく異なり、より巨大な特徴を持っています。長く（通常8～12フィート）、そして太く、ノーズとテールがはっきりと狭くなっています。Gunsは主にスピード、安定性、強度を目的としてデザインされています。

ビッグ ウェーブは、海底の地形、うねりの状態、表面の風など、さまざまな要因によって特徴が異なります。そのため、ビッグ ウェーブ サーファーは、波によって異なるボードを使用するのが一般的です。図2は、Greg Longがワールド・サーフ・リーグのビッグ ウェーブ ワールド ツアー大会で使用する ”Quiver of Big Wave Guns” です。

図2：Chris Christensonが全てシェイプしたGreg Long（右）のBig Wave Gunsのクイバー（ボードラインナップのこと）。 (写真提供はTodd Glaser; @ToddGlaserPhotography; www.tglaser.com)

サーフボードの空気力学と流体力学の比較
サーフボード シェイパーの多くは、水がどのようにボードと相互作用し、ボードの周りを流れるか（ハイドロダイナミクス）に注目しています。皮肉なことに、水と接しているのはボード表面の約25％だけで、残りの75％は空気の影響を受けています。ビッグ ウェーブ サーフィンは、流体力学と空気力学の両方がボードとサーファーのパフォーマンスに影響を与えるという点で異なります。ビッグ ウェーブ サーファーは、まず波のフェイスを落としてスピードを稼ぎます。多くの場合、これは文字通り制御された自由落下です。波のベースでは、サーファーはボードをドライブさせます。ボードを波の方向に対して斜めに回転させ、ボードのサイドエッジであるレールを使って圧倒的なスピードを生み出します。波の速度とドライブの角度によって、サーファーは時速50マイル以上のスピードを出すことができます。サーファーのスピードが上がると、空気力学的な効果がより顕著になります。ランニング中、サーファーとボードは、ノーズが波に沈んで壊滅的な失敗（ワイプアウトとして知られている）を起こさないように、積極的なアタック アングルを維持します。同時に、サーファーはアタック アングルを大きくしすぎて、ボードがロフトし、ワイプアウトの別のモードが発生するのを防がなければなりません。

ビッグ ウェーブ サーファーにとって、スピードと安定性は成功と生存の鍵となります。サーファーが経験する全体的な抗力の大部分は、流体力学的抗力（圧力抗力と皮膚摩擦）である。しかし、サーファーのスピードが上がると、空気抵抗が大きくなります。ボードのノーズが空気の流れの中に突き出ていて、角度がついていると、空気はボードのノーズの周りを動き回らなければなりません。空気がボードのレールの周りを回ると、局所的な対気速度が上がり、圧力が下がります。この気流がボードの表面から剥離し、ボードの下方側（ノーズの後ろの上面）に低圧の ”バブル” が発生します。この分離バブルは空気抵抗の大きな原因となります。本来、高圧の空気は常にボードの下面を押しますが、低圧の分離気泡があることで、吸引効果により上向きの力が加わります（図3参照）。

図3：サーフボードの周りで空気が加速すると、流れが剥離し、低圧の分離気泡が形成される。

分離気泡の存在によって、ボードやサーファーのパフォーマンスに影響を与える可能性がある別のネガティブな側面があります。ボードのレール周辺の流れが分離することで、非定常な流れが発生します。2つの非定常な流れの分離点は、互いに通信路を設定し、横方向に振動し始めます。この非定常な空気力学的環境は、サーファーによって管理され、コントロールされていますが、サーファーの全体的なパフォーマンスに影響を与えます。この振動を放置しておくと、大きくなってコントロールを失うことになります。

ビッグ ウェーブ サーフィンには、サーファーのパフォーマンスに影響を与える様々な側面がありますが、一般的に致命的な故障には2つの主要なモードがあります。第1モードでは、ボードのノーズが空気を受け止め、ボードがロフトしてサーファーの足の下から抜けてしまいます。2つ目は、ボードのノーズが水中のエッジに引っかかり、ボードがサーファーの足元から引き剥がされるものです。今回、私たちが提案するコンセプトは、この2つの故障モードに対応するものです。

空気力学的な最適化をビッグ ウェーブのボードデザインに応用する
今回開発されたコンセプトは、サーフボードのトップ リーディング エッジに空力的な修正を加えるというものです。このフェアリングの改良により、標準的なボードで発生する分離気泡を低減し、抵抗を減らして安定性を高めることができます。このプロジェクトは、CRAFT Techで開発された設計最適化フレームワークを適用するための理想的な機会となりました。このフレームワークは、自動化された設計ループ内にマルチ フィジックス ソルバーを実装したものです。このフレームワークには、形状変更、グリッド生成、CFDを含む物理ソルバー、そして次の設計テストの反復につながる新しい設計変数を生成する遺伝的アルゴリズムが含まれています。

図4は、サーフボードプロジェクトにおける設計最適化ループの例と、最適化研究によって生成された修正ボード コンセプトの図を示しています。設計変数の入力に基づいて形状を生成するために，OpenCascadeが選ばれました。それはオープンソースのC++ CADライブラリで，複雑なサーフェス形状の生成やブーリアン演算が可能で，IGESおよびSTLのエクスポートフォーマットに対応しています。今回のケースでは、サーフボードの形状をパラメータ化するために、ボードの上部中央に沿った1本のスプライン曲線を定義するための4つの入力設計変数があります（図5）。ポイント1はボードの前面に固定されています。ポイント2は、ポイント1の底面からの接線ベクトルで拘束され、1つの自由度が与えられます。ポイント3は、ポイント4の上面からの接線ベクトルで拘束され、1つの自由度が与えられます。ポイント4はフェアリングの長さを決めるもので、ボードの全長の半分以下に制限されています。このように、ボードの形状は、ベースラインの形状とこれら4つのポイントによって完全に定義されます。

図4：デザイン最適化フレームワークの概略と、ベースラインと修正サーフボードのデザイン コンセプトの比較

図5：4つの設計点で定義された中心線スプライン曲線を用いたボード形状のパラメータ化。

設計ループの次のステップでは、ジオメトリがPointwiseに引き渡され、計算グリッドが生成されます。最適化フレームワークの中で動作させるためには、グリッド生成が確実に動作し、ユーザーの介入を必要としないことが重要です。そのため、Glyphスクリプトを使用してPointwiseを自動で実行し、ジオメトリのインポート、サーフェスおよびボリューム メッシュの作成、境界条件の指定、ソルバーのエクスポートなどの機能を処理しました。Pointwiseの異方性四面体押し出し（T-Rex）機能を使用して、設計の反復ごとに境界層のボリュームメッシュを作成しました。これにより、設計パラメータを変更して作成した様々な形状の基板に対して、高品質の境界層およびボリュームメッシュを確実に生成することができました。図6は、サーフボードのシミュレーション用に作成した非構造化Pointwiseグリッドの1つと、ボリュームメッシュを生成するGlyphスクリプトの抜粋を示しています。

図6：T-Rexのメッシュと、非構造化グリッドの生成に使用したCadence Pointwise Glyphスクリプトの一部を示した図。

デザインループの次のステップでは、PointwiseからCRAFT Techの非構造化Navier-Stokes CFDソルバーであるCRUNCH CFDにグリッドを出力し、修正されたサーフボードの形状上の空気の流れを計算し、その結果としてボードにかかる抗力を算出します。設計の最適化では、様々な物理モデルを用いて、現行の設計の成功を決定します。このケースでは、CFDソリューションからサーフボードモデルの抗力という1つの指標を抽出し、どの世代の設計変更を進めるべきかを評価しました。

サンディア国立研究所 (Sandia National Labs) が開発した最適化ツールキット ”Dakota” を設計フレームワークに使用し、遺伝的アルゴリズムを用いて目的関数である抗力低減を評価し、新たな設計変数を生成しました。ここでは、Dakotaツールキットの単一目的遺伝的アルゴリズム（SOGA）オプティマイザーを選択しました。各集団には5つの設計が含まれており、各集団の中で最も優れた設計が次の世代の設計の反復に選ばれました。全部で20のデザイン世代を経て、100のサーフボードの形状変更を評価しました。

最適化の結果を図7に示します。ベースラインのサーフボードから改良されたデザインへと変化し、約13％の抗力削減に成功しています。また，図8は中心線面の圧力コンターを比較したもので，ベースラインボードと修正ボードの形状の間で空気力学が修正され，抵抗が減少したことを示しています。

図7：最適化研究の結果、改善されたデザインに向かって目的関数であるドラッグの減少が進行していることを示す。

図8：ベースラインのボード形状（上）と改良された形状（下）の圧力コンターの比較。

地上テスト

デザインの最適化プロセスの後、私たちはいくつかの実験的なテストデータでコンセプトの信頼性を高めたいと考えました。実験では、最適化されたボード形状と従来のベースライン ボードの空気抵抗力を比較することにしました。2つのテスト品（従来のベースライン ボードと改良されたボード）は、近隣のサーフボード供給会社であるGreenlight Surfboard Supply社が製作しました。Greenlightは、浮力のあるフォームコア、樹脂、グラスファイバー、ツール、アクセサリーなどを設計・製造するエンジニアリング会社です。

図9：ハーフボードの試験品を取り付けた特注の試験治具。

サーフボードの試験品を車両の前部に取り付けるための初歩的な試験器具を製作しました（図9参照）。この試験装置は、ボードの周囲の流れが妨げられないように試験品を車両の前方に延ばしたものである。試験品は、空気抵抗成分と揚力成分を分離するために、ほぼ摩擦のないスライド式のプラットフォームに取り付けられました。このプラットフォームには、空気の速度に応じた抗力を同時に記録する粗いデータ収集システムを考案して取り付けました。

各試験品は、15度の固定されたアタック角で試験装置に取り付けられました。

試験は、現在は民間の滑走路として使用されている廃墟のドラッグストリップで行われた。数回のテスト走行を行い、それぞれの走行はゼロから時速50マイルまで徐々に加速していきました。テストの結果は、このコンセプトで期待される抵抗低減効果を明確に示しています（図10参照）。

図10：テスト結果では、対気速度の増加に伴い、空気抵抗が大幅に減少している。

低速域ではベースライン ボードも改良ボードも同じような挙動を示しましたが、速度が上がるにつれ、最適化されたボードは従来のベースライン サーフボードよりも空気抵抗が大幅に減少しました。上限の50mphに向けて対気速度が上がるにつれ、空気抵抗の差も大きくなっていきました。この空気抵抗の差は、ボードのノーズの後ろにある分離気泡が大幅に減少した、あるいはなくなったことを示しています。

ビッグ ウェーブ トライアル
この取り組みの最終段階では、ビッグ ウェーブ サーフィンでコンセプトを評価します。ビッグ ウェーブワールド ツアーに参加するプロサーファーの多くは、Chris ChristensonがシェイプしたGunsに乗っていますが、中でもChrisと親しく仕事をしているのがGreg LongとIan Walshの2人です。この3人を合わせて、我々のテスト・評価チームです。Chris Christensonは、CRAFT Tech社に、彼のデザインしたガンの3D CADファイルを提供し、空力フェアリングの修正を依頼しました（現在は ”ORCA”（Optimization, Reduction, and Control of Aerodynamics）と呼ばれています）。修正されたCADファイルはクリスに提供され、クリスはORCAノーズフェアリングを装着したプロトタイプボードの製作と成形を進めました。ORCAのノーズフェアリングは、ボードのノーズ部分に質量が加わるため、Chrisにとっては決して簡単な作業ではありませんでした。ボードの質量特性の変化を補うために、バランスをとるための修正が必要でした。また、強度を高める必要があったため、炭素繊維の複合材を使用しました。図11に示すように、完成したプロトタイプボードは、今年のボードルーム・インターナショナル・サーフボード・ショーで発表されました。

図11：伝説のビッグ ウェーブボードシェイパー、クリス・クリステンソンが製作した最適化されたサーフボード試作品。

残念ながら、2017年のビッグ ウェーブシーズンは北半球で終了し、波は南に移動してしまいました。プロトタイプボードのテストと評価は、うねりが北に戻ってくる秋頃に開始される予定です。ORCAプロトタイプボードのテストと評価は、JAWS、Mavericks、Todos Santosなど、数少ないビッグ ウェーブのある場所で行われるでしょう。私たちは皆、fingers crossed（” 幸運を祈る”のジェスチャ）を続け、評価チームの幸運と安全なサーフィンを祈っています。

 

この記事に関するお問合せは、cdsj_info@cadence.com までお願いいたします。

Author:AnneMarie CFD

Translator: Norikazu Takada

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