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문제 정의
- 따라서 여기서는 레이놀즈 수가 100,000 인 경우에 대해서만 기술한다. 본 연구는 에어스포일러의 존재에 따른 후류 구조의 변화를 고찰하고자 하는 것인데, 에어스포일러는 양력을 발생시키는 익형을 뒤집은 형태로 설치되어 음의 양력 (negative lift)이 발생되도록 설계되었다. 이는 자동차가 고속으로 주행할 때에 다운포스를 증가시켜 주행안정성을 높이기 위한 것이다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 실제 스포츠카 후류에서 발생하는 3차원 와 구조를 PIV 시스템을 이용하여 해석한다. 이를 위해서 순환형 수동(closed-loop water tunnel)의 시험 부(test section) 바닥에 고정 되어 있는 축소 자동차 모형의 후류 유동장을 3차원 공간에서 단면별로 계측한다.
- 또한 각각의 단면에서 에 어스포일러의 장착 유무에 따른 유동장 변화를 관 찰하기 위해 모양이 같은 두 개의 모형 자동차를 이용하였다. 또한 각각의 단면에서 총 488 장씩의 순간 유동장을 촬영하고 이것을 바탕으로 평균 유 동장을 계산하였다.
- 스포 일러와 트렁크 사이의 부분을 레이저로 조사하기 위하여 시험부(test section) 바깥쪽 바닥면에 사각 평면거울을 수평면에 대하여 약 10’ 정도 기울여 부착하였다. 본 실험은 물속에서 진행되는 특성상 정지된 바닥면 상태에서 측정이 이루어졌다. Hackett 등(成에 의하면 고정된 지면을 사용하여도 실험결과에 큰 영향이 없다는 것을 알 수 있다.
- 따라서 본 연구에서는 실제 스포츠카 후류에서 발생하는 3차원 와 구조를 PIV 시스템을 이용하여 해석한다. 이를 위해서 순환형 수동(closed-loop water tunnel)의 시험 부(test section) 바닥에 고정 되어 있는 축소 자동차 모형의 후류 유동장을 3차원 공간에서 단면별로 계측한다. 주유동방향의 유동 특성과 횡방향 와류의 유동구조를 이해하기 위해서 각각 주유동방향과 평행인 면과 수직인 면에서 측정하며(이들 면은 모두 지면에 수직임), 공력 특성을 개선하기 위해서 자동차 트렁크 위에 장착하는 에어스포일러(air spoiler) 또는 리어 스포일러 (rear spoiler)의 유무에 따른 자동차 후류 유동의 변화를 관찰한다.
- 자동차 후류에서 나타나는 복잡한 3차원 와류현상을 가시화하고 에어스포일러 장착에 따른 후류의 변화를 고찰하였다. 본 실험은 레이놀즈 수가 100,000 일 때 축소모델에 근접한 후류 유동을 PIV 기법으로 측정하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 각각의 단면에서 측정된 2차원 유동장에 대한. 자료를 바탕으로 등와도 면(isovorticity surface)과 와관들(vortex tubes)을 준 3차원 적 (quasi-three dimensional)으로 재 구성 한다.
- 이를 위해서 순환형 수동(closed-loop water tunnel)의 시험 부(test section) 바닥에 고정 되어 있는 축소 자동차 모형의 후류 유동장을 3차원 공간에서 단면별로 계측한다. 주유동방향의 유동 특성과 횡방향 와류의 유동구조를 이해하기 위해서 각각 주유동방향과 평행인 면과 수직인 면에서 측정하며(이들 면은 모두 지면에 수직임), 공력 특성을 개선하기 위해서 자동차 트렁크 위에 장착하는 에어스포일러(air spoiler) 또는 리어 스포일러 (rear spoiler)의 유무에 따른 자동차 후류 유동의 변화를 관찰한다. 각각의 단면에서 측정된 2차원 유동장에 대한.
대상 데이터
- 1 씩 이동시켜서 모두 6 개의 단면에서 유동장에 대한 속도정보를 취득하였다. 또한 각각의 단면에서 에 어스포일러의 장착 유무에 따른 유동장 변화를 관 찰하기 위해 모양이 같은 두 개의 모형 자동차를 이용하였다. 또한 각각의 단면에서 총 488 장씩의 순간 유동장을 촬영하고 이것을 바탕으로 평균 유 동장을 계산하였다.
- Nd:Yag 레이저의 출력은 120 mJ 이며, CCD 카메라 의 해상도는 1280x 1024 픽셀이다. 또한 산란입자 는 평균 지름이 10 μm 인 Hollow Glasses Spheres 이 고, 실험에 사용된 모형 자동차는 Mercedes Benz 회사의 CLK-GTR 모델을 1/43 로 축소한 것으로 길이, 높이, 폭의 제원은 112.86x25.56x45.35 mm3 이다. 또한 레이저 빛이 차량 표면에 반사되어 산 란되는 것을 방지하기 위해 모형은 검정색으로 무 광택 도색되어 시험부의 바닥에 고정되었다.
- 5 에 나타냈다. y-z 평면의 유동을 계측 하기 위하여 자동차 모형으로부터 300 mm 떨어진 시험부 바닥에 거울(60x50 mirf)을 설치하여 北。로 반사된 영상을 CCD 카메라를 통해 획득하였다. 측 정면은 에어스포일러를 포함한 트렁크 부분에서부터 시작된다.
- 1은 개략적인 실험장치 구성을 나타낸다. 본 실험에 사용된 PIV 시스템은 순환형 수동, double-head Nd:Yag 레이저, CCD 카메라, 동기화장치 및 데이터 처리용 컴퓨터로 구성된다. 시험부는 투명한 아크릴로 제작되었는데, 그 크기는 길이, 높이, 폭이 각각 700 x 100 x 150mm? 이다.
- 본 실험에 사용된 PIV 시스템은 순환형 수동, double-head Nd:Yag 레이저, CCD 카메라, 동기화장치 및 데이터 처리용 컴퓨터로 구성된다. 시험부는 투명한 아크릴로 제작되었는데, 그 크기는 길이, 높이, 폭이 각각 700 x 100 x 150mm? 이다. Nd:Yag 레이저의 출력은 120 mJ 이며, CCD 카메라 의 해상도는 1280x 1024 픽셀이다.
이론/모형
- 변화를 고찰하였다. 본 실험은 레이놀즈 수가 100,000 일 때 축소모델에 근접한 후류 유동을 PIV 기법으로 측정하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
- 결론적으로 에어스포일러의 존재는 자동차 근접 후류에서 양의 양력 증가의 원인이 되는 내리 씻음(down-wash)과 C-pillar 와류를 감소시키는 강한익단와류(wing-tip vortex)를 형성함으로써 음의 양력을 발생시키는 원인이 된다.(9)
- 그리고 안장점의 위치는 바깥쪽으로 갈수록 점점 상류로 이동한다. 따라서 에어스포일러의 존재는 바닥면에서의 역흐름을 최 소화하고 측면부에서 불규칙적인 전단와류의 발생 을 억제하여 전체적으로는 주행안정성을 높이는데 기여하는 것으로 판단된다.
- 이 결과에는 측정시 후류 바닥에 부 착된 거울과 카메라의 위치 및 각도 조절의 어려움 으로 약간의 비대칭성이 나타나고 있으나 전체적인 유동 형태를 파악하는데는 크게 문제되지 않는다. 또한 모형 차량이 설치 되 어있는 상태에서 거울이 측정단면의 유동에 영향을 주는지 확인하기 위해 거울을 설치했을 때와 설치하지 않았을 때의 두 경우에 대해서 x-y 단면을 측정하여 서로 비교한 결과, 재순환 영역에서의 안장점과 초점의 위치가 일 치함으로써 거울이 유동장 측정에 중요한 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있었다. 전반적으로는 에어스포일러를 장착하면 스포일러 양 끝단에서 강한 유동방향 와류가 발생하여 먼 후류까지 유지되는 것을 알 수 있다.
- 통상적으로 존재하는 C-Pillar 와류가 매우 약해지고 에어스포일러 양 끝단에서 발생한 익단 와류가 후류를 지배하면서 전체적으로 음의 양력을 발생시키므로 주행 안정성에 기여하는 것으로 해석된다. 또한 유동방향 와류의 노드가 횡방향 와류의 안장점과 비슷한 위치에 형성됨으로써 측면부에서 나타나는 횡방향 와류의 강한 역흐름을 억제하는 것으로 나타났다.
후속연구
- McCutcheon 등四은 단순화된 자동차 모형에서 해치백(hatchback) 각도에 따른 후류유동 특성을 고찰하였고, Al-Gami 등과 Heineck 및 Walker®는 트럭 후류의 난류유동 특성을 PIV 계측으로 해석 하였다. 그러나 이상의 연구들이 단편적인 유동 특성을 고찰하는데 그쳤고 후류의 3차원 와 구조에 대한 전체적인 분석은 이루어지지 않았다. 차량 후 미에서 발생하는 복잡한 3차원 와류 현상은 차량 의 주행 안정성 및 연료 소비율에 큰 영향을 미치 므로 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
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