[논문]돌아가는 바퀴 및 이동지면 조건이 3차원 자동차 형상의 공력성능에 미치는 영향에 관한 연구

강승온; 전상욱; 박훈일; 구요천; 기정도; 홍동희; 김규홍; 이동호

돌아가는 바퀴 및 이동지면 조건이 3차원 자동차 형상의 공력성능에 미치는 영향에 관한 연구
Influence of Rotating Wheel and Moving Ground Condition to Aerodynamic Performance of 3-Dimensional Automobile Configuration 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.5, 2010년, pp.100 - 107

강승온 (서울대학교 기계항공공학부) , 전상욱 (서울대학교 기계항공공학부) , 박훈일 (서울대학교 기계항공공학부) , 구요천 (현대자동차) , 기정도 (현대자동차) , 홍동희 (서울대학교 기계항공공학부) , 김규홍 (서울대학교 기계항공공학부) , 이동호 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper gives new conceptual descriptions of drag reduction mechanism owing to rotating wheel and moving ground condition when dealing with automotive aerodynamics. Using Computational Fluid Dynamics (CFD), flow simulation of three dimensional automobile configuration made by Vehicle Modeling Function (VMF) is performed and the influence of wheel arch, wheels, rotating wheel & moving ground condition to the automotive aerodynamic performance is analyzed. Finally, it is shown that rotating wheel & moving ground condition decreases automotive aerodynamic drag owing to the reduction of the induced drag led by the decrease of COANDA flow intensity of the rear trunk flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Rotating Wheel & Moving Ground 조건에서자동차의전체적인항력이감소하는 현상에 대해서 자동차 트렁크 윗부분에서 발생 하는 COANDA유동10)과 유도항력발생 이론을 이용 하여 설명하고자 한다.
이와 같이 구현된 3차원 자동차 모델에 대하여 Fluent를 이용한 공력해석을 수행하고, 그 결과로부터 Wheel Arch, Wheel, Rotating Wheel & Moving Ground가 자동차 공력성능에 미치는 영향에 대해서 토의할 것이다.
자동차 공기역학 분야^1-4)에서 가장 큰 이슈 중 하나는 Rotating Wheel과 Moving Ground 조건이 자동차 공력특성에 어떠한 영향을 미치는가 하는 것이다. 자동차는 공기 중을 날아가는 항공기와는 달리 바퀴를 돌려 지면 가까이에서 이동하므로 Rotating Wheel과 Moving Ground의 효과를 고려하지 않는다면 도로 위를 달리는 자동차의 공력특성을 정확하게 예측할 수없다.

가설 설정

10) Fig. 7에서와 같이 자동차 후방의 곡률 표면을 따라서 유동이 흐르게 되면 COANDA효과에 의한 내리씻음이 발생하게 된다. 이는 곡률표면과 유체사이의 점성효과에 의해 표면이 유동을 당기게 되고 이에 반작용으로 유동도 차 표면을 당기게되어오른쪽위, 사선방향으로의힘이생기게된다.

제안 방법

Case IV의 경우는 Case III과 똑같은 조건에서 실제풍동실험에서모사하기어려운Rotating Wheel과 Moving Ground의 효과를 추가하여 해석을 수행하였다. 해석을 수행하기에 앞서 고정된 Wheel과 Ground에 움직임을 주게 되면 자동차 하부유동이 복잡해지고 Separation에 의한 Wake도 크게 발생해 CD값이 증가할 것으로 예상하였으나, 수치해석결과 Table 3에서와 같이 Case IV의 CD값이 Case III의 CD값인 0.
따라서 많은 시간이 소비되는외형 디자인의 수정과 격자 생성의 반복과정이 손쉽게 이루어짐을 확인할 수 있었고 초기의 외형 디자인과 공력성능 평가의 반복과정의 효율성이 향상됨을 확인할 수 있었다. Fig. 3에서는 유체해석 Volume Mesh 형성을 위한 Boundary Surface Mesh를 나타내었으며 생성될 격자의 수를 줄이고 계산효율을 증대시키기 위해 자동차의 대칭적인 특징을 이용하여 전체형상의 절반만을이용하여 해석을 수행하였다.
VMF로 구현한 3차원 자동차모델형상의 스케일을 일반적인 현대자동차(주)의 세단 크기로 맞추고 해석을 실시하였다.
각 조건에 대하여 자동차 표면에 생기는 경계층의 영향을 고려하기 위하여 Car Body, Whee Arch 그리고 Wheel 표면에 1mm간격으로 12개의 층, 총 12mm의 Boundary Prism Mesh를 생성한 뒤 그 위에 Volume Mesh를 생성하였다. 격자의 구성은Fig.
본 연구에서는 복잡한 물체 주위의 격자를 비교적 쉽게 형성할 수 있는 장점이 있는 Unstructured Grid를 사용하였다. 또한 Car Body, Wheel Arch, Rotating Wheel이 자동차의 공기역학적 특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 Table 1과 같이 네 가지 조건으로 나누어 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다.
78m/s)로 주었으며, 유출류 (Outflow)는 대기압조건으로 하였다. 또한Ground는각 해석조건에 맞게 Fixed Wall 혹은 유입류와 같은 속도로 움직일 수 있는 Moving Wall로 설정하였고, 나머지 세 면은 Symmetry 조건으로 하여 경계층이 생성되지 않도록 하였다.
본 연구에서는 Vehicle Modeling Function (VMF)을 이용하여 3차원 가상 자동차모델을 구현하고, 이 모델을 이용하여 CFD 수치해석을 통한 유동 시뮬레이션 및 자동차 하부유동이 자동차 전체 공력성능에 미치는 영향을 예측하여 다음과 같은 세 가지 결론을 도출하였다.
Fluent는 기본적으로 유한 체적법 (Finite Volume Method)을 사용하며, 격자 경계를 출입하는 플럭스항에 대하여는 풍상차분법(Upwind Difference Method)을사용한다. 여기에MUSCL기법을 추가하여 3차의 공간정확도를 확보하였다. 시간 적분의경우최소시간간격기법은점성유동을계산하기 위해서 벽면 근처에 매우 조밀한 격자를 분포시켜야 하므로 매우 비효율적이다.
자동차의 실제 주행 상황을 모사하기 위하여 각각의 해석 경계조건을 자동차에 대한 상대속도로 설정하였다. 해석공간상에서자동차는고정시키고 유입류(Inflow)의 조건을 고속도로에서의 최고제한속도인 100km/hr(27.

대상 데이터

격자는 크게 구조화 격자 (Structured Grid)와 비구조화 격자(Unstructured Grid) 의 두 가지로 나누어진다. 본 연구에서는 복잡한 물체 주위의 격자를 비교적 쉽게 형성할 수 있는 장점이 있는 Unstructured Grid를 사용하였다. 또한 Car Body, Wheel Arch, Rotating Wheel이 자동차의 공기역학적 특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 Table 1과 같이 네 가지 조건으로 나누어 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다.

이론/모형

따라서 본 논문에서는 시간 간격이 작은 외재적 기법(Explicit Scheme) 아닌효율적인해석을수행하기 위하여 Fluent에서 제공하는 내재적 기법(Implicit Scheme)을 사용하였다.¹⁴⁾ 난류모델은 외부유동의 역압력구배에 의한 역류(Reverse Flow)현상과 벽면에서의 점착(No-Slip)조건에 의한 경계층(Boundary Layer)해석에 있어서 비교적 정확한 결과를 제공하는것으로알려진Spalart-Allmaras모델을사용하였다.
이러한 현상을 극복하기 위하여 본 연구에서는 예조건화기법(Preconditioning Method)을 이용한 Fluent의 Coupled 방식을 사용하였다. Fluent는 기본적으로 유한 체적법 (Finite Volume Method)을 사용하며, 격자 경계를 출입하는 플럭스항에 대하여는 풍상차분법(Upwind Difference Method)을사용한다. 여기에MUSCL기법을 추가하여 3차의 공간정확도를 확보하였다.
이를 위해서 일반적으로 자동차 외부 형상에 맞는 격자를 생성하고 Euler나 Navier-Stokes 방정식과 같은 지배방정식을 푸는 작업이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 해석을 보다 효과적으로 하기 수행하기 위해서 상용 유체해석 프로그램인 Fluent를 사용하였다.
왜냐하면 이 경우 모든 격자점에서 점성 영역의 조밀한 격자에서 계산된 매우 작은 시간간격을 사용하기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 시간 간격이 작은 외재적 기법(Explicit Scheme) 아닌효율적인해석을수행하기 위하여 Fluent에서 제공하는 내재적 기법(Implicit Scheme)을 사용하였다.¹⁴⁾ 난류모델은 외부유동의 역압력구배에 의한 역류(Reverse Flow)현상과 벽면에서의 점착(No-Slip)조건에 의한 경계층(Boundary Layer)해석에 있어서 비교적 정확한 결과를 제공하는것으로알려진Spalart-Allmaras모델을사용하였다.
이로 인해 Navier-Stokes 방정식은수치적으로매우강건한현상을나타내며,결과적으로 수렴성이 매우 낮다. 이러한 현상을 극복하기 위하여 본 연구에서는 예조건화기법(Preconditioning Method)을 이용한 Fluent의 Coupled 방식을 사용하였다. Fluent는 기본적으로 유한 체적법 (Finite Volume Method)을 사용하며, 격자 경계를 출입하는 플럭스항에 대하여는 풍상차분법(Upwind Difference Method)을사용한다.
과 유도항력발생 이론을 이용 하여 설명하고자 한다. 이를 위하여 Vehicle Modeling Function(VMF)을 이용하여 3차원 가상 자동차 모델을 구현하였다. 이 모델을 이용하면 실제 풍동실험에서는 수행하기 힘든 Case Study 즉, Car Body, Wheel Arch, Wheel, Rotating Wheel & Moving Ground 조건의 경우를 조합 혹은 따로 분리하여 해석을 수행하기 용이하고, 각 항목이 자동차 공력특성에 미치는 영향을 서로 독립적으로 분석할 수 있다는 장점이 있다.

성능/효과

1) Moving Ground 효과는 자동차 하부유동의 속도를 증가시키고 상대적으로 트렁크 상단의 내리 씻음에 의한 COANDA 유동의 강도를 약화시켜 이에 따른 유도항력이 감소해 결국 자동차 전체의 공력성능을 향상시킴을 확인하였다.
2) Wheel Arch의 영향으로 인하여 자동차 하부 유동의 속도가 느려지고 유동패턴이 복잡해져서 항력이 증가함을 확인하였다.
3) Rotating Wheel 효과는 Wheel에 대한 유동의 상대속도가 커짐으로 Wheel 자체의 항력을 증가시켜 자동차의 공력성능을 악화시키는 것을 확인하였다.
⁵⁾ 이러한 논문들은 대부분 국부적인 실험을 통하여 앞바퀴와 뒷바퀴 근처에서 발생하는 Wake와 전압력 변화를 항력감소의 원인으로 규명하고 있다.⁶⁾ 세부적으로는 항력감소는 세단형 자동차가 가장 크게 일어나고 앞바퀴보다는 뒷바퀴의 영향이 더 크다고 밝히고 있다.⁷⁾ 또한 자동차 전체의 항력감소가 Moving Ground 조건의 영향보다는 Rotating Wheel 의 영향에 초점이 맞춰져 있다.
따라서Case IV에 나타난 저항저감현상은 Moving Ground에 의해 자동차 하부 유동의 속도가 빨라지고 자동차 후방의 하부 쪽에서 올라오는 올려씻음 유동이 트렁크를 따라 내려오는 COANDA유동의 강도를 약화시켰기 때문이다. 결과적으로 이는 유도항력을 줄이게 됨으로써 전체적인 Car Body의 저항이 감소된 것으로 판단된다. 즉, Table 4에 나타나 있듯이 Car Body의 CD값 뿐 아니라 CL값이 감소하였다는 것은 COANDA 유동에 의한 오른쪽 위 방향의 힘이 줄어들었다는 것으로 생각된다.
Case II는 Car Body에 Wheel Arch 만을 추가한 형상이다. 두 개의 Wheel Arch 내부의 앞부분에서 유동의 박리(Separation)에 의한 역류(Reverse Flow)로 와류(Vortex)가 생성 발생되는 것을 확인할 수 있었으며 C_D값을 확인해 본 결과로는 Case I의 약 두 배인 0.2425를 나타내었다. 형상이 급격히 변하는 Wheel Arch 부분에서유동의박리가발생하였고, 이로 인하여 유동의 속도가 느려지고 Pressure Drag가 증가한 경우라 할 수 있다.
37 정도이다. 따라서 VMF로 형상을 구현하고 일반적인 현대자동차(주)의 세단의 크기로 스케일을 맞춘 3차원 가상 자동차 모델 해석결과의 C_D값이 0.30~0.37 범위 안에 들어가면 물리적으로 타당하다고 생각된다. 하지만 Table 3의 실험치들은 풍동 안에 정지해 있는 자동차를 가지고 실험한 결과이므로 Rotating Wheel과 Moving Ground의 효과는 포함하지 않고 있다.
3차원 가상 자동차 모델은 수학적인 함수로 정의되어 있기 때문에 어떤 크기로도 확장 또는 축소가 가능하며 VMF의 계수를 조정하여 곡면 형상의 변화도 손쉽게 이룰 수 있다. 따라서 많은 시간이 소비되는외형 디자인의 수정과 격자 생성의 반복과정이 손쉽게 이루어짐을 확인할 수 있었고 초기의 외형 디자인과 공력성능 평가의 반복과정의 효율성이 향상됨을 확인할 수 있었다. Fig.
수치해석 결과(Table 4)에서 알 수 있듯이 Moving Ground의 효과가 Car Body만의 저항을 11%정도를 줄이게 되어 앞 뒤 Wheel의 저항이 커졌음에도 불구하고 전체적으로는 저항이 감소한 것을 알 수 있다.
이 모델을 이용하면 실제 풍동실험에서는 수행하기 힘든 Case Study 즉, Car Body, Wheel Arch, Wheel, Rotating Wheel & Moving Ground 조건의 경우를 조합 혹은 따로 분리하여 해석을 수행하기 용이하고, 각 항목이 자동차 공력특성에 미치는 영향을 서로 독립적으로 분석할 수 있다는 장점이 있다.
Fixed Ground에서의 그림을 살펴보면, 자동차 하부에서 올라오는 유동이 트렁크 상단에서 내려오는 강한 COANDA유동을 만나 후방 중간지점에서 반시계방향의 강한 와류(Vortex)를 생성하는 것을 확인할수 있다. 이에반해 Moving Ground 조건에서의 유동 패턴을 살펴보면, 자동차 하부에서 올라오는 유동의 속도가 더 빨라서 트렁크 상단에서 내려오는 COANDA유동을 밀치고 올라가 후방 상단 부분에 시계방향의 약한 와류를 형성하는 것을 확인할수 있다.
Case III의 결과와 Case IV의 결과를 비교하기 위하여 Car Body, Front Wheel, Rear Wheel의 CD값과 CL값을 분류하여 Table 4에 정리하였다. 전체 CD값을 세분화하여 살펴보면 Rotating Wheel의 효과로 인하여 앞 뒤 두 Wheel의 항력이 모두 늘어났음을 확인할 수 있다. 옆에서 보았을 때 Wheel Arch의 영향으로바람이불어오는방향의역방향으로회전하는 Wheel의 부분 면적(바퀴 상단 부분)이 순방향으로 회전하는 Wheel의 부분 면적(바퀴 하단 부분)보다 넓다.
Case IV의 경우는 Case III과 똑같은 조건에서 실제풍동실험에서모사하기어려운Rotating Wheel과 Moving Ground의 효과를 추가하여 해석을 수행하였다. 해석을 수행하기에 앞서 고정된 Wheel과 Ground에 움직임을 주게 되면 자동차 하부유동이 복잡해지고 Separation에 의한 Wake도 크게 발생해 CD값이 증가할 것으로 예상하였으나, 수치해석결과 Table 3에서와 같이 Case IV의 CD값이 Case III의 CD값인 0.3626보다 7.4% 감소한 0.3358이라는 결과를보여주고 있다. 이에 대한 자세한분석은다음절에서하도록하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VMF를 이용한 자동차 형상구현방법이란 무엇인가?	Vehicle Modeling Function (VMF)11-13)을 이용한 자동차 형상구현방법은자동차의3차원외형형상을 일정 영역으로 분할하고 적은 변수만으로 제어가 가능한 특정 형상함수를 사용하여 차량의 전체 형상 생성이 가능하도록 하는 형상함수 기반의 자동차외형생성방법이다. VMF는 식(1)과 같은 함수 식으로 표현되고 A1, A2, Z1, Z2로 이루어진 4개의 변수로 구성되어, 4개의 변수 값에 따라 각기 다른 곡선을생성할수 있다.
	본 연구가 제안하는 VMF를 이용하여 구현한 3차원 가상 자동차 모델으로 Rotating Wheel & Moving Ground 조건에서 자동차의 전체적인 항력이 감소하는 현상을 분석하려 했을 때 어떤 이점이 있는가?	이를 위하여 Vehicle Modeling Function(VMF)을 이용하여 3차원 가상 자동차 모델을 구현하였다. 이 모델을 이용하면 실제 풍동실험에서는 수행하기 힘든 Case Study 즉, Car Body, Wheel Arch, Wheel, Rotating Wheel & Moving Ground 조건의 경우를 조합 혹은 따로 분리하여 해석을 수행하기 용이하고, 각 항목이 자동차 공력특성에 미치는 영향을 서로 독립적으로 분석할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 구현된 3차원 자동차 모델에 대하여 Fluent를 이용한 공력해석을 수행하고, 그 결과로부터 Wheel Arch, Wheel, Rotating Wheel & Moving Ground가 자동차 공력성능에 미치는 영향에 대해서 토의할 것이다.
	도로 위를 달리는 자동차의 공력특성을 예측하기 위해 필수적으로 고려해야 하는 요인은 무엇인가?	자동차 공기역학 분야1-4)에서 가장 큰 이슈 중 하나는 Rotating Wheel과 Moving Ground 조건이 자동차 공력특성에 어떠한 영향을 미치는가 하는 것이다. 자동차는 공기 중을 날아가는 항공기와는 달리 바퀴를 돌려 지면 가까이에서 이동하므로 Rotating Wheel과 Moving Ground의 효과를 고려하지 않는다면 도로 위를 달리는 자동차의 공력특성을 정확하게 예측할 수없다.

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S. H. Yun, Numerical Study of the Crosswind Safety on Korean Tilting train Express, M. S. Thesis, Seoul National University, Seoul, Korea, 2004.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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