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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 3차원 공간에서의 3차원속 도성분 데이터에 기반을 둔 와 구조 해석기법을 적용하여 그 구조를 파악한다. Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 자동차 후류에 대하여 3차원 공간에서 3차원 속도성분을 모두 포함하는 유동장을 계측하고, 이를 바탕으로 에어 스포일러가 있을 때와 없을 때에 대한 와 구조를 해석한다. 이를 위해서 순환형 수동(closed-loop water tunnel)의 시험부(testsection) 바닥에 고정되어 있는 실제 스포츠카의 축소 모형 후류 유동장을 PIV 시스템으로 계측한다.
- 최종적으로 얻어진 3차원 속도장 데이터로부터 속도구배 텐서를 구하고, 3차원 와도의 절대값 # 및 #의 값을 구하였다. 이때 z-축 방향으로 측정 평면 사이 간격이 다소 크기 때문에 속도구배 텐서를 구하는데 오차가 발생하지만 본 연구에서는 에어스포일러 장착에 따른 정성적인 3차원와 구조 변화를 고찰하는 것이 목적이므로 정량적 오차에 따른 영향은 따로 고려하지 않았다.
제안 방법
- 2-3에 나타내었다. Fig. 2에서 x-y 평면에서 나타나는 횡방향(spanwise) 유동구조와 y-z 평면에서 나타나는 주유동방향(streamwise) 유동구조를 에어 스포일러가 장착된 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 서로 비교하였다. Fig.
- 그러나 이런 연구들은 단편적인 유동 특성을 고찰하는데 그쳤고 자동차 후류의 3차원와 구조(vortical structure)에 대한 전체적인 분석을 하지 않았다. Kim등⑩은 실제 스포츠카 모형에 대해 여러 단면에서 PIV 계측을 수행하고 에어 스포일러(air spoiler) 장착에 따른 3차원 와 구조의 변화를 논의하였다. 그러나 3차원와 구조를 재구성하는데 있어서 단순히 2차원 데이터를 적층하였기 때문에 공간상에서의 3차원 속도성분에 의한 와 구조는 해석되지 못하였다.
- λ2-정의에 의한 와 구조를 파악하기 위해서는 3차원 공간에서의 3차원 속도성분이 모두 필요하다. 각 평면의 데이터를 3차원으로 재구성하면 각 평면에 수직인 속도성분이 결여되어 있으므로 3차원 와도 성분을 모두 구할 수 없기 때문에, 본 연구에서는 서로 다른 평면에서의 3차원 데이터를 조합하여 누락된 속도 성분을 평균적으로 보완하여 이로부터 3차원 와도 성분을 구하였다. x-y 평면을 기준 평면으로 사용하였으며, x-y 평면에서 나타나지 않는 z 방향 속도성분 을 z-x 평면에서 측정한 데이터에 Lagrange 보간법을 사용하여 얻었다.
- 3까지 총 14단면에서 측정하였다. 각각의 단면에서 총488장씩의 순간 유동장을 촬영하고 이것을 바탕으로 평균 유동장을 계산하였다.
- 이를 위해서 순환형 수동(closed-loop water tunnel)의 시험부(testsection) 바닥에 고정되어 있는 실제 스포츠카의 축소 모형 후류 유동장을 PIV 시스템으로 계측한다. 각각의 좌표축 상에서 일정한 간격으로 측정된 2차원 순간 속도장들은 특정 단면을 대표하는 시간평균 유동장으로 계산되었으며, 이 시간평균 데이터로부터 Lagrange 보간법을 이용하여 3차원 속도성분을 모두 포함하는 3차원 유동장을 재구성한다. 최종적으로 속도구배 텐서를 계산하여 3차원 와도성분을 구하고, 와도 절대 값 및 λ2-정의에 의한 와 구조를 비교함으로써 그 특성에 대해 논의한다.
- 1 씩 이동하여 총 6곳에서 y-z 평면 데이터를 획득하였다. 또한, 종방향(z-x 평면) 유동 측정을 위해 시험부 바닥면으로부터 Ay/H=0.1 씩 이동하여 y/H=1.3까지 총 14단면에서 측정하였다. 각각의 단면에서 총488장씩의 순간 유동장을 촬영하고 이것을 바탕으로 평균 유동장을 계산하였다.
- 본 연구에서는 세 개의 평면(x-y평면, y-z평면, z- X평면)에서 시간평균된 속도장을 구하였다. 먼저 각각의 단면에서 측정된 시간평균 속도장의 유선 및 와도분포를 Fig.
- 에어 스포일러가 없는 경우와 장착된 경우에 대한 축소모형 자동차를 순환형 수동의 시험부 바닥면에 설치하고 PIV 시스템을 이용하여 속도장을 측정하였다. 이 PIV 시스템은 120 mJ의 double-head Nd:Yag 레이저, 1280x1024의 해상도를 갖는 CCD 카메라,동기화장치 그리고 데이터 처리용 컴퓨터로 구성된다.
- 따라서, 본 연구에서는 자동차 후류에 대하여 3차원 공간에서 3차원 속도성분을 모두 포함하는 유동장을 계측하고, 이를 바탕으로 에어 스포일러가 있을 때와 없을 때에 대한 와 구조를 해석한다. 이를 위해서 순환형 수동(closed-loop water tunnel)의 시험부(testsection) 바닥에 고정되어 있는 실제 스포츠카의 축소 모형 후류 유동장을 PIV 시스템으로 계측한다. 각각의 좌표축 상에서 일정한 간격으로 측정된 2차원 순간 속도장들은 특정 단면을 대표하는 시간평균 유동장으로 계산되었으며, 이 시간평균 데이터로부터 Lagrange 보간법을 이용하여 3차원 속도성분을 모두 포함하는 3차원 유동장을 재구성한다.
- 각각의 좌표축 상에서 일정한 간격으로 측정된 2차원 순간 속도장들은 특정 단면을 대표하는 시간평균 유동장으로 계산되었으며, 이 시간평균 데이터로부터 Lagrange 보간법을 이용하여 3차원 속도성분을 모두 포함하는 3차원 유동장을 재구성한다. 최종적으로 속도구배 텐서를 계산하여 3차원 와도성분을 구하고, 와도 절대 값 및 λ2-정의에 의한 와 구조를 비교함으로써 그 특성에 대해 논의한다.
대상 데이터
- 9%)이며, 주입된 산란입자는 평균 지름이 10 μm인 중공유리구 (hollow glasses spheres)이다. 모형 자동차는 Mercedes Benz 회사의 CLK-GTR 모델을 1:43으로 축소한 것으로 길이, 높이, 폭의 제원은 각각 112.86X25.56X45.35 mn?이다. 이 모델은 수치적 해석으로는 불가능한 복잡한 형상의 차량일 뿐만 아니라 비교적 큰 에어 스포일러가 장착되어 있기 때문에 선정되었다.
- 이 PIV 시스템은 120 mJ의 double-head Nd:Yag 레이저, 1280x1024의 해상도를 갖는 CCD 카메라,동기화장치 그리고 데이터 처리용 컴퓨터로 구성된다. 순환형 수동의 시험 부는 투명한 아크릴로 제작되었으며 , 길이 , 높이, 폭이 각각 700x100x150 mn?이다. 실험에서 조사된 레이저 평면광 두께는 1 mm(특성길 이의 0.
- 순환형 수동의 시험 부는 투명한 아크릴로 제작되었으며 , 길이 , 높이, 폭이 각각 700x100x150 mn?이다. 실험에서 조사된 레이저 평면광 두께는 1 mm(특성길 이의 0.9%)이며, 주입된 산란입자는 평균 지름이 10 μm인 중공유리구 (hollow glasses spheres)이다. 모형 자동차는 Mercedes Benz 회사의 CLK-GTR 모델을 1:43으로 축소한 것으로 길이, 높이, 폭의 제원은 각각 112.
- 05씩 이동하면서 모두 13곳에서 측정하였다. 주유동방향 와류를 측정하기 위해 x/L=0부터 x/L=0.5 위치까지 Ax/L=0.1 씩 이동하여 총 6곳에서 y-z 평면 데이터를 획득하였다. 또한, 종방향(z-x 평면) 유동 측정을 위해 시험부 바닥면으로부터 Ay/H=0.
- z-축의 원점은 자동차의 중앙대칭면에서 에어 스포일러의 선단 중앙 바닥점에 위치한다. 횡방향 와류 측정을 위해서 중앙단면(z/W=0)으로부터 z/W=0.6의 범위에 걸쳐 Az/W=0.05씩 이동하면서 모두 13곳에서 측정하였다. 주유동방향 와류를 측정하기 위해 x/L=0부터 x/L=0.
이론/모형
- 6 pixel/mm이다. 데이터 처리를 위해서 FFT(fast Fourier transform)에 근거한 상호상관법 (cross-correlation a*) lgorithm)" 을 이용하였고, 32X 32 픽셀의 상관영역 (interrogation windows)을 50% 중첩하였다. 신호대잡음 비율(signal to noise ratio)을 높이기 위해 윈도우 이동기법 (window shifting)과 계층적 상관(recursive correlation) 기법을 적용하였다.
- 각 평면의 데이터를 3차원으로 재구성하면 각 평면에 수직인 속도성분이 결여되어 있으므로 3차원 와도 성분을 모두 구할 수 없기 때문에, 본 연구에서는 서로 다른 평면에서의 3차원 데이터를 조합하여 누락된 속도 성분을 평균적으로 보완하여 이로부터 3차원 와도 성분을 구하였다. x-y 평면을 기준 평면으로 사용하였으며, x-y 평면에서 나타나지 않는 z 방향 속도성분 을 z-x 평면에서 측정한 데이터에 Lagrange 보간법을 사용하여 얻었다. 이 방법을 적용하는데 있어서 육면체 요소(brick element)에 대한 선형 형상함수(linear shape function)를 사용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 Jeong & Hussian(13)이 제안한 λ2-정의에 의한 와류해석 기법을 도입하였다. 이 방법에서는 와류의 중심에서 국소 최저 압력(local pressure minimum)이 발생하고, 이 중심은 속도구배 텐서# 의 대칭성분(symmetric part)인 # 과 반대칭성분(antisymmetric part)인 # 의 제곱합인 # 텐서에 대한 두 개의 음수 고유값(eigenvalue)을 연결한 영역이 정의된다.
- 데이터 처리를 위해서 FFT(fast Fourier transform)에 근거한 상호상관법 (cross-correlation a*) lgorithm)" 을 이용하였고, 32X 32 픽셀의 상관영역 (interrogation windows)을 50% 중첩하였다. 신호대잡음 비율(signal to noise ratio)을 높이기 위해 윈도우 이동기법 (window shifting)과 계층적 상관(recursive correlation) 기법을 적용하였다. 최종적으로 x-y, y-z, z-x 평면에서 획득된 속도벡터의 공간분해능은 각 평면상에서 각각 1.
- x-y 평면을 기준 평면으로 사용하였으며, x-y 평면에서 나타나지 않는 z 방향 속도성분 을 z-x 평면에서 측정한 데이터에 Lagrange 보간법을 사용하여 얻었다. 이 방법을 적용하는데 있어서 육면체 요소(brick element)에 대한 선형 형상함수(linear shape function)를 사용하였다. 최종적으로 얻어진 3차원 속도장 데이터로부터 속도구배 텐서를 구하고, 3차원 와도의 절대값 # 및 #의 값을 구하였다.
- 자동차 후류의 3차원와 구조를 해석하기 위하여 PIV 측정기법을 이용하여 세 방향으로 여러 단면에서의 시간 평균속도장을 획득하였다. 와 구조를 규명하기 위해서 각 방향 와도 성분 또는 3차원 와도의 절대값을 이용하면 강한 전단류에 의해 형성되는 재순환 영역에서 실제 와류 현상을 볼 수 없다는 문제점을 확인하였다.
성능/효과
- 에어 스포일러가 없을 때에는 재순환 영역에 존재하는 C-Pillar 와류와 재순환 영역 내에 길게 늘어진 두 개의 응집와류가 존재하였다. 그러나 에어 스포일러가 설치되면 C-Pillar 와류는 약해지고 에어 스포일 러 끝단에서 발생하는 날개끝 와류가 수평으로 길게 형성될 뿐만 아니라 재순환 영역 내의 응집구조의 높이가 커지고 체적도 증가하는 것을 발견하였다.
- 자동차 후류의 3차원와 구조를 해석하기 위하여 PIV 측정기법을 이용하여 세 방향으로 여러 단면에서의 시간 평균속도장을 획득하였다. 와 구조를 규명하기 위해서 각 방향 와도 성분 또는 3차원 와도의 절대값을 이용하면 강한 전단류에 의해 형성되는 재순환 영역에서 실제 와류 현상을 볼 수 없다는 문제점을 확인하였다. 이에 대한 해결방안으로 2차원 속도 장 데이터를 기반으로 3차원 속도장을 재구성하였고, λ2-정의에 의한 와 구조 해석기법을 적용함으로써 재순환 영역 내의 3차원와 구조가 나타나는 것을 확인 하였다.
- 와 구조를 규명하기 위해서 각 방향 와도 성분 또는 3차원 와도의 절대값을 이용하면 강한 전단류에 의해 형성되는 재순환 영역에서 실제 와류 현상을 볼 수 없다는 문제점을 확인하였다. 이에 대한 해결방안으로 2차원 속도 장 데이터를 기반으로 3차원 속도장을 재구성하였고, λ2-정의에 의한 와 구조 해석기법을 적용함으로써 재순환 영역 내의 3차원와 구조가 나타나는 것을 확인 하였다.
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