[논문]대형트럭용 루프 훼어링과 디프렉트의 공기저항력 저감 특성에 관한 연구

김철호

대형트럭용 루프 훼어링과 디프렉트의 공기저항력 저감 특성에 관한 연구
An Effect of Roof-Fairing and Deflector System on the Reduction of Aerodynamic Drag of a Heavy-Duty Truck 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.14 no.2, 2006년, pp.194 - 201

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Roof-fairing and deflector system have been used on heavy-duty trucks to minimize aerodynamic drag force not only for driving stability of the truck but also for energy saving by reducing the required driving power of the vehicle. In this study, a numerical simulation was carried out to see aerodynamic effect of the drag reducing device on the model vehicle. Drag and lift force generated on the five different models of the drag reducing system were calculated and compared them each other to see which type of device is efficient on the reduction of driving power of the vehicles quantitatively. An experiment has been done to see airflow characteristics on the model vehicles. Airflow patterns around the model vehicles were visualized by smoke generation method to compare the complexity of airflow around drag reducing device. From the results, the deflector systems(Model 5,6) were revealed as a better device for reduction of aerodynamic drag than the roof-fairing systems(Model 2,3,4) on the heavy-duty truck and it can be expected that over 10% of brake power of an engine can be saved on a tractor-trailer by the aerodynamic drag reducing device at normal speed range($80km/h{\sim}$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구를 통해 트랙터-트레일러용 공기저항 저감 장치인 5종류의 루프 훼어링과 디프렉트의 공력 특성을 분석하고 공기역학적 성능인 항력(drag)과 양력(lift)의 크기 변화를 상호 비교하였다. 또한 항력 값의 저하에 의한 모델 트럭이 필요로 하는 주행동력의 크기가 얼마나 절약되는지도 알아보았다.
본 연구에서는 유한체적법(FVM) 을 적용한 수치 해석기법을 이용하여 대형 트럭인 트랙터-트레일러의 공기저항 저감 장치로 적용되는 루프 훼어링과 디프렉트의 공기 역학적 특성을 파악하고, 공기 저항 저감 효과를 알아보았다. 본 연구를 위해 설계한 저항 저감 장치는 총 5종류로 루프 훼어링 세 모델(Model 2~4)과 디프렉트 두 모델(Model 5, 6)이다.

가설 설정

1에서 언급한 갭실링(gap sealing), 측면스커트(side-skirt)와 같은 장치를 활용하게 된다. 그러나 본 연구에서는 공기 저항력의 감소에 매우 중요한 역할을 하는 루프 훼어링과 디프렉트의 공기 저항력에 대한 특성변화를 알아보기 위해 기본적으로 바람이 없는 공간을 모델 트럭이 등속주행을 한다고 가정하였다.
트랙터-트레일러가 등속 주행할 때 차량 주위에서 발생하는 공기의 유동현상을 수치해석 적으로 묘사하기 위해 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)을 적용하는 범용 CFD코드인 PHOENICS(ver. 3.4)¹⁰⁾을 사용 하였으며, 해석 경계조건의 단순화를 위해 검사체적 내부에는 상대적 바람이 없다고 가정하였다. 해석을 위한 공기의 유동 장은 다음과 같이 정의하였다.

제안 방법

공기 저항저감장치를 장착한 차량에서 공기의 유동현상을 관찰하고 이를 통해 압력저항과 유도저항이 발생할 수 있는 원인을 정성적으로 알아보기 위해 개방형 아음속 풍동에서 축소 모형실험을 실시하였다.
다음은 각 모델별로 Model 1과 비교하여 공기 저항력(FD) 감소에 따른 엔진 제동마력의 절감이 어느 정도 되는지를 알아보았다.
본 연구를 통해 트랙터-트레일러용 공기저항 저감 장치인 5종류의 루프 훼어링과 디프렉트의 공력 특성을 분석하고 공기역학적 성능인 항력(drag)과 양력(lift)의 크기 변화를 상호 비교하였다. 또한 항력 값의 저하에 의한 모델 트럭이 필요로 하는 주행동력의 크기가 얼마나 절약되는지도 알아보았다.
) 값은 루프 훼어링의 설치 높이에 매우 크게 영향을 받는다는 사실을 알 수 있었다. 본 연구에서는 공기저항 저감 장치인 루프 훼어링과 디프렉트(deflector)를 각각 트랙터-트레일러에 장착하였을 때 발생하는 공기역학적 특성을 상호 비교해 보았으며, 어떤 장치가 항력계수(C_D)의 저감에 우수한 성능을 보이는가를 알아 보기위해 장치의 설치높이(h')를 선행연구⁶⁾로부터 도출된 최적의 높이인 2/3h로 고정하고 수치해석기법을 통해 산출된 항력계수(C_D)의 결과를 정량, 정성적으로 비교 분석해 보았다.
수치해석을 통해 산출한 차체 표면에서의 정압 분포(static pressure distribution)를 이용하여 면적적분을 통해 차체 각 부위에서의 공기력(aerodynamic force)을 계산 하였다. 이를 위해 Table Curve 2D¹⁰⁾ 상용프로그램을 이용하였으며, 차체의 모든 표면에서 발생하는 공기력의 성분을 차량의 진행방향과 진행 방향에 수직방향의 성분으로 재계산하여 이를 각각 항력(drag)과 양력(lift)으로 구분하여 정리하였다.
아음속 풍동을 이용한 유동 가시화 실험을 통해 모델 차량에 각각의 저항저감 장치를 장착하였을 때 차량주위에서 발생하는 유동현상을 관찰하였다. 이를 통해 차량에서 발생하게 되는 압력저항력과 유도저항력의 원인을 정성적으로 분석해 보았다.
표면 마찰력에 의한 대류 열전달의 현상은 무시할 수 있으므로 에너지 방정식은 풀지 않았다. 유동해석의 수렴성 판단을 위해 각 변수들의 계산 잉여율(residual fraction)이 10^-4이하로 떨어질 때 까지 충분히 반복적으로 계산하였다. 비압축성, 난류 유동장의 해석을 위한 지배방정식은 다음과 같다.
수치해석을 통해 산출한 차체 표면에서의 정압 분포(static pressure distribution)를 이용하여 면적적분을 통해 차체 각 부위에서의 공기력(aerodynamic force)을 계산 하였다. 이를 위해 Table Curve 2D¹⁰⁾ 상용프로그램을 이용하였으며, 차체의 모든 표면에서 발생하는 공기력의 성분을 차량의 진행방향과 진행 방향에 수직방향의 성분으로 재계산하여 이를 각각 항력(drag)과 양력(lift)으로 구분하여 정리하였다.
아음속 풍동을 이용한 유동 가시화 실험을 통해 모델 차량에 각각의 저항저감 장치를 장착하였을 때 차량주위에서 발생하는 유동현상을 관찰하였다. 이를 통해 차량에서 발생하게 되는 압력저항력과 유도저항력의 원인을 정성적으로 분석해 보았다.
4는 훼어링을 장착하지 않은 Model 1의 수치 격자계의 예를 보여준다. 차량의 폭 방향(z축)으로는 좌우 대칭성을 고려하여 유동장의 반쪽만을 검사체적의 공간으로 잡았으며 해석격자의 크기는 격자시험을 거쳐 최종적으로(133×54×34)으로 결정하였다. 트레일러 후방 부위에 충분한 계산영역을 주어 검사체적의 출구에서 유동장이 충분히 발달되도록 하였다.
을이용하였다. 트랙터-트레일러의 모델형상(physical model)을 수치해석 모델(numerical model)로 만들기 위해 먼저 범용 CAD프로그램을 이용하여 3차원의 실제 형상을 만들고 이 CAD 파일을 해석 공간인 수치해석 도메인(numerical domain)으로 불러와 직각 좌표계 상에서 정방격자(rectangular grid)를 생성하여 해석을 위한 격자 파일을 생성한다. Fig.

대상 데이터

3은 본 연구를 위해 적용한 트랙터-트레일러의 형상과 제원을 보여준다. 모델차량은 국내 H사의 60톤급 트랙터 모델을 기준으로 한 것이며 트레일러는 H특장차의 40FT 평판 트레일러와 표준화된 40FT 컨테이너로 하였다.
본 수치 해석적 연구를 위해 사용된 주요 변수는 공기저항 감소 장치인 훼어링과 디프렉트의 형상과 차량의 진행속도이며 Table 1에 주어진 바와 같다.
본 연구에서는 유한체적법(FVM) 을 적용한 수치 해석기법을 이용하여 대형 트럭인 트랙터-트레일러의 공기저항 저감 장치로 적용되는 루프 훼어링과 디프렉트의 공기 역학적 특성을 파악하고, 공기 저항 저감 효과를 알아보았다. 본 연구를 위해 설계한 저항 저감 장치는 총 5종류로 루프 훼어링 세 모델(Model 2~4)과 디프렉트 두 모델(Model 5, 6)이다. 이 모델들을 시험용 모델 트럭에 장착하여 수치해석 실험을 한결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

이론/모형

검사체적내의 비압축성 난류유동장 해석을 위해 3차원 Navier-Stokes 방정식⁷⁾을 풀었으며, 난류해석을 위해 표준 (κ-ε) 모델⁸⁾을 사용하였다. 표면 마찰력에 의한 대류 열전달의 현상은 무시할 수 있으므로 에너지 방정식은 풀지 않았다.
유동장 내의 압력을 계산하기 위해 SIMPLE알고리즘⁹⁾을 적용하였으며, 운동방정식과 난류 방정식(standard - turbulent model)의 대류 항(convection term)을 계산하기 위해 하이브리드(hybrid scheme) 방법을 사용하였다.
해석 공간의 격자생성을 위해 CAD-to-CFD 격자 생성법(grid generation method)⁹⁾을이용하였다. 트랙터-트레일러의 모델형상(physical model)을 수치해석 모델(numerical model)로 만들기 위해 먼저 범용 CAD프로그램을 이용하여 3차원의 실제 형상을 만들고 이 CAD 파일을 해석 공간인 수치해석 도메인(numerical domain)으로 불러와 직각 좌표계 상에서 정방격자(rectangular grid)를 생성하여 해석을 위한 격자 파일을 생성한다.

성능/효과

1) 대형 화물차는 구조적으로 후방의 트레일러 상부에 직육면체 모양의 컨테이너를 적재해야 됨으로 차량의 진행방향으로부터 매우 강한 공기역학적 저항력을 피할 수 없게 설계되어있다. 차량이 도로를 일정한 속도로 주행하기 위해 필요로 하는 최소한의 동력은 차량의 자중에 의한 도로면과의 굴림저항력(rolling resistance force)과 공기저항력(aerodynamic drag force)을 극복하기 위한 동력이다.
1) 트랙터-트레일러의 공기저항 저감을 위해 디프렉트 형상를 설치한 경우가 이를 설치하지 않은 경우에 비해 평균적으로 13.5%정도의 저항력 저감 효과를 유발한다는 사실을 알았다.
특히 공기 저항력의 경우 차량의 속도가 60km/h이상에 도달하게 되면 급격히 상승하여 굴림 마찰력 보다 커지게 되며 100km/h에 도달하며 굴림 마찰력의 2배가 넘는 공기 저항력이 차량에 발생하게된다.²⁾ 즉 자동차 엔진에서 발생하는 제동마력의 60%이상이 차체가 받는 공기 저항력을 극복하기 위한 동력으로 소모된다. 이러한 관점에서 볼 때 차량 외형의 공기역학적 설계(aerodynamic design)는 수송에너지의 절약에 매우 직접적인 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.
2) 차량의 굴림마찰력에 연관되는 누름력(down force)의 경우는 디프렉트 장치가 루프 훼어링 장치에 비해 적게 걸리며, 이는 디프렉트가 훼어링 장치에 비해 양력, 항력 저감의 모든 면에서 공기 역학적으로 우수하다는 것을 의미한다.
3) 차량의 속도가 80km/h이상의 속도에 도달하게 되면 굴림마찰력에 비해 공기 저항력의 크기가 2배2)이상에 달하게 되며, 이는 엔진 제동마력의 60%이상이 공기 저항력을 극복하는데 소요됨을 의미한다. 그러므로 본 연구를 통해 알 수 있듯이 대형 트럭에 최적형상의 디프렉트(Model 6)를 장착할 경우 이를 장착하지 않은 경우(Model 1)에 비해 평균 18 %의 항력계수(C_D)를 낮춰 주는 역할을 하게 되며 이는 공기저항 저감을 통해 엔진의 제동마력 소비를 11%정도를 저감하는 역할을 하게 된다.
3) 차량의 속도가 80km/h이상의 속도에 도달하게 되면 굴림마찰력에 비해 공기 저항력의 크기가 2배2)이상에 달하게 되며, 이는 엔진 제동마력의 60%이상이 공기 저항력을 극복하는데 소요됨을 의미한다. 그러므로 본 연구를 통해 알 수 있듯이 대형 트럭에 최적형상의 디프렉트(Model 6)를 장착할 경우 이를 장착하지 않은 경우(Model 1)에 비해 평균 18 %의 항력계수(C_D)를 낮춰 주는 역할을 하게 되며 이는 공기저항 저감을 통해 엔진의 제동마력 소비를 11%정도를 저감하는 역할을 하게 된다.
10은 각 모델들의 항력계수(C_D)를 비교한 선도이다. 디프렉트가 루프 훼어링 장치에 비해 평균적으로 6.33%정도의 항력계수를 낮추어 준다는 사실을 알 수 있으며, 곡면형 루프 훼어링에 비해 오히려 평판형 훼어링이 오히려 항력계수를 줄여 준다는 사실을 알수 있다.
이러한 정성적 측면에서 보아도 저항저감장치가 없는 상태보다는 장착한 상태가 공기저항에 유리하며, Model 2,3,4인 훼어링보다는 Model 5,6의 디프렉트가 공기저항의 저감에 효과적이라는 사실을 알 수 있다.
12에서 알 수 있듯이 트랙터-트레일러 엔진의 제동마력(brake power)이 가장 크게 절약되는 순으로 모델을 정리해 보면 순으로 정리 된다. 즉 디프렉트의 형상이 루프 훼어링의 형상에 비해 우수한 공기저항력 저감 효과가 있다는 사실을 알 수 있다. 평판형 루프 훼어링의 경우가 곡면형 루프 훼어링보다 공기 저항 저감 효과가 우수 하다는 사실도 선행연구⁶⁾의 결과와 일치함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서는 유한체적법(FVM) 을 적용한 수치 해석기법을 이용하여 대형 트럭인 트랙터-트레일러의 공기저항 저감 장치로 적용되는 루프 훼어링과 디프렉트의 공기 역학적 특성을 파악하고, 공기 저항 저감 효과를 알아보았다, 이에 대한 실험결과는?	1) 트랙터-트레일러의 공기저항 저감을 위해 디프렉트 형상를 설치한 경우가 이를 설치하지 않은 경우에 비해 평균적으로 13.5%정도의 저항력 저감 효과를 유발한다는 사실을 알았다. 2) 차량의 굴림마찰력에 연관되는 누름력(down force)의 경우는 디프렉트 장치가 루프 훼어링 장치에 비해 적게 걸리며, 이는 디프렉트가 훼어링 장치에 비해 양력, 항력 저감의 모든 면에서 공기 역학적으로 우수하다는 것을 의미한다. 3) 차량의 속도가 80km/h이상의 속도에 도달하게 되면 굴림마찰력에 비해 공기 저항력의 크기가 2배2)이상에 달하게 되며, 이는 엔진 제동마력의 60%이상이 공기 저항력을 극복하는데 소요됨을 의미한다. 그러므로 본 연구를 통해 알 수 있듯이 대형 트럭에 최적형상의 디프렉트(Model 6)를 장착할 경우 이를 장착하지 않은 경우(Model 1)에 비해 평균 18 %의 항력계수(CD)를 낮춰 주는 역할을 하게 되며 이는 공기저항 저감을 통해 엔진의 제동마력 소비를 11%정도를 저감하는 역할을 하게 된다.
	대형 화물차인 트랙터-트레일러는 제동마력의 몇 %이상이 차체가 받는 공기 저항력을 극복하기 위한 동력으로 소모되는가?	특히 공기 저항력의 경우 차량의 속도가 60km/h이상에 도달하게 되면 급격히 상승하여 굴림 마찰력 보다 커지게 되며 100km/h에 도달하며 굴림 마찰력의 2배가 넘는 공기 저항력이 차량에 발생하게된다.2) 즉 자동차 엔진에서 발생하는 제동마력의 60%이상이 차체가 받는 공기 저항력을 극복하기 위한 동력으로 소모된다. 이러한 관점에서 볼 때 차량 외형의 공기역학적 설계(aerodynamic design)는 수송에너지의 절약에 매우 직접적인 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.
	트랙터 상부에서 발생하는 유동 박리현상은 어떤 영향을 미치는가?	트랙터 상부에서 발생하는 유동 박리현상(flow separation)은 차량 후방부에서 생성되는 강한 와류 (vortex)의 형성에 영향을 미치게 되며 이때 와류영역에서의 난류의 강도(turbulent intensity)는 차량이 받게 되는 공기 저항력에 매우 큰 영향을 미치게 된다.

참고문헌 (10)

Korean Ministry of Construction and Transportation, An Annual Statistic Report for Automobile Registration, 2003
R. H. Barnard, Road Vehicle Aerodynamic Design; An Introduction, Addison Wesley Longman Limited, Great Britian, 1996
W. S. Janna, Introduction to Fluid Mechanics, PWS Publishing Co., New York, 1993
K. T. Lee, C.C. Kim and Y. S. Hong, 'Fuel savings of a Tractor-Trailer gy Means of Aerodynamic Drag Reduction Devices,' Journal of Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.10, No.2, pp.80-90, 1982
C. H. Kim, D. K. Yeon and C. M. Lee, 'A Numerical Study on the Aerodynamic Effects of a Rear-Side Spoiler on the Driving Stability of a Passenger Car,' Journal of SNUT, Vol.47, pp.113-124, 1998
C. H. Kim and C. B. Youn, 'Aerodynamic Effect of Roof-Fairing System on a Heavy- Duty Truck,' Int. J. Automotive Technology, Vol.6, No.3, pp.221-227, 2005

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R. M. Olson and S. J. Wright, Essentials of Engineering Fluid Mechanics, 5th Edn., Harper & Row, Publishers Inc., New York, 1990
S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp., New York, 1980
PHOENICS PVR Version 3.4 CHAM Ltd., 2002
Table Curve 2D V5.0, SPSS Science Co., 2002

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