[논문]승용차의 후면 형상 변형이 공기저항 감소에 미치는 영향

송기선; 강승온; 전상욱; 박훈일; 기정도; 김규홍; 이동호

승용차의 후면 형상 변형이 공기저항 감소에 미치는 영향
Effects on Aerodynamic Drag Reduction of a Passenger Car by Rear Body Shape Modifications 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.19 no.4, 2011년, pp.137 - 145

송기선 (서울대학교 기계항공공학부) , 강승온 (서울대학교 기계항공공학부) , 전상욱 (서울대학교 기계항공공학부) , 박훈일 (서울대학교 기계항공공학부) , 기정도 (서울대학교 기계항공공학부) , 김규홍 (서울대학교 기계항공공학부) , 이동호 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper suggests possible rear body shape modifications of a passenger car for the improvement of aerodynamic performance, based on the CFD analysis results. YF SONATA, a passenger car of Hyundai Motors Company, plays a major role as the baseline car in this research. Representatively, three parts(trunk rear edge, side rear edge and rear undercover) are modified in a small range in order for the total outer shapes not to be changed enough so that the modified car is not considered different, compared with the baseline. Specifically, using computational fluid dynamics, aerodynamic drag reduction is accomplished maximally about 11% in this research. Finally, it is proved that although the range of changes of the rear body shapes of a passenger car is very strictly confined, by changing a small range of rear body shapes alone the enhancement of aerodynamic performance of a passenger car can be significantly accomplished.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 승용차의 후면 형상을 변형하여 공력성능을 향상시키기 위한 연구로서 YF SONATA 의 형상을 대표적으로 이용하였고 CFD 수치해석을 수행함으로써 공력특성과 C_D값의 변화를 분석하였다. 이를 통해 최종적으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 이러한 기존 연구의 한계를 극복하고 실제 운용중인 세단에 제안할 수 있는 실용적인 공기저항을 감소시킬 수 있는 형상 변형에 대한 방안을 제시하고자 YF SONATA의 후면부의 형상을 변형하여 CFD 수치해석을 수행함으로써 공력성능을 향상시키기 위한 구체적 형상 변화의 종류와 그 형태를 찾아내는 데 초점을 두었다. YF SONATA의 유동패턴을 분석한 기존연구¹²⁾를 바탕으로 공력성능에 비교적 많은 영향을 끼치는 것으로 분석된 3가지 부분 – Trunk rear edge, Side rear edge, Rear undercover - 을 선택하여 일정 범위 내에서 변화시켜가며 CFD 수치해석을 수행하였다.
YF SONATA의 유동패턴을 분석한 기존연구¹²⁾를 바탕으로 공력성능에 비교적 많은 영향을 끼치는 것으로 분석된 3가지 부분 – Trunk rear edge, Side rear edge, Rear undercover - 을 선택하여 일정 범위 내에서 변화시켜가며 CFD 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 최종적으로 YF SONATA의 공력성능을 향상시킬 수 있는 구체적인 형상변형 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

① Elongation을 적용하면 Diffuser효과가 증대된다. 즉, YF SONATA 후면주위에서의 압력은 Undercover를 지나온 유동과 Trunk를 지나온 유동으로 대부분 구성되게 되는데, Diffuser효과가 강해져 후방의 유동이 더 높은 압력을 갖게 되어 (a)에 비해 차 전면과 후면의 압력차를 줄여주게 된다.

제안 방법

1,12) 이와 같은 Diffuser 효과를 더 크게 하기 위해 Fig. 3와 같이 Rear undercover를 차의 후방 쪽으로 길이(Le) 만큼 연장시켜 그 영향을 조사하였다.
3가지Case에서 얻어진 결과들 중 가장 우수한 결과를 보여준 경우들(Case A의 θ=20°, Case B의 LS=80mm, Case C의 Le=160mm)을 이용하여 여러가지 조합을 설정해 외부유동의 패턴과 CD의 변화를 분석하기 위해 새로 CFD 수치해석을 수행하였다.
Table 1에 각 Case를 나타내었다(Case A : Trunk rear edge kick up, Case B : Side rear edge modification, Case C : Rear undercover elongation). Case B는 LS값을 늘려주면 Case A와 Case C에 비해 형상이 과다하게 변경되는 문제가 있기 때문에 3가지 경우에 대해서만 수치해석을 수행하였다.
Volume mesh를 생성하기 전에 각 자동차 표면(Car surface, Front wheel, Rear wheel)에 생기는 경계층의 영향을 고려하기 위해 각 표면에 1mm간격으로 8개의 층으로 구성된 총 8mm의 Boundary prism mesh를 생성한 뒤 Volume mesh를 생성하였다. 그 구성은 Fig.
YF SONATA의 유동패턴을 분석한 기존연구12)를 바탕으로 공력성능에 비교적 많은 영향을 끼치는 것으로 분석된 3가지 부분 – Trunk rear edge, Side rear edge, Rear undercover - 을 선택하여 일정 범위 내에서 변화시켜가며 CFD 수치해석을 수행하였다.
이 Control volume 안에서 자동차는 정지해 있고 시속 100km로 유입류(Inflow)가 불어오는 것으로 조건을 설정하였고, 유출류(Outflow)는 대기압으로 하였다. 또한 실제 자동차의 주행을 모사하기 위해 Rotating wheel과 Moving ground효과를 주었다. Control volume의 나머지 세 면은 Symmetry 조건으로 하여 경계층이 형성되지 않도록 하였다.
앞에서 언급한 3가지 주요 형상 변화를 주는 주요 변수들(Trunk rear edge kick up angle θ, Side rear edge modification length LS & Rear undercover elongation length Le)을 일정량 그 정도를 바꿔가면서 CFD 수치해석을 수행하였다.
이 연구에서는 COANDA-effect를 더 약화시키기 위해 Fig. 1과 같이 Kick up 각도를 θ로 하여 Trunk rear edge 각도를 더 날카롭게 위쪽으로 올려가면서 수치해석을 수행하였다.
전체적인 계산효율을 향상시키기 위해 전체 형상의 절반만을 이용하여 3차원 격자를 생성하였다. Fig.

대상 데이터

자동차의 실제 풍동 실험 상황을 모사하기 위해 너비 4m, 길이 18m 그리고 높이 4m의 Control volume 을 생성하였다. 이 Control volume 안에서 자동차는 정지해 있고 시속 100km로 유입류(Inflow)가 불어오는 것으로 조건을 설정하였고, 유출류(Outflow)는 대기압으로 하였다.

데이터처리

본 연구에서는 상용 CFD해석 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였다. 해석과정에서 계산의 빠른 수렴성을 가지게 하기 위해 예조건화기법(Pre-conditioning method)을 이용한 Coupled 방정식을 사용하였다.

이론/모형

적분을 하는 과정에서는 효율적인 해석을 수행하기 위해 Pressure based인 내재적 기법(Implicit scheme)을 사용하였다.¹⁴⁾ 난류모델로서는 난류 유동과 경계조건 해석에서 비교적 높은 정확도를 보여주는 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였다.
해석과정에서 계산의 빠른 수렴성을 가지게 하기 위해 예조건화기법(Pre-conditioning method)을 이용한 Coupled 방정식을 사용하였다. 기본적으로 유동을 해석하는 Scheme으로는 2차 풍상차분법(2nd order upwind difference scheme)을 사용하였다. 적분을 하는 과정에서는 효율적인 해석을 수행하기 위해 Pressure based인 내재적 기법(Implicit scheme)을 사용하였다.
기본적으로 유동을 해석하는 Scheme으로는 2차 풍상차분법(2nd order upwind difference scheme)을 사용하였다. 적분을 하는 과정에서는 효율적인 해석을 수행하기 위해 Pressure based인 내재적 기법(Implicit scheme)을 사용하였다.¹⁴⁾ 난류모델로서는 난류 유동과 경계조건 해석에서 비교적 높은 정확도를 보여주는 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였다.
본 연구에서는 상용 CFD해석 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였다. 해석과정에서 계산의 빠른 수렴성을 가지게 하기 위해 예조건화기법(Pre-conditioning method)을 이용한 Coupled 방정식을 사용하였다. 기본적으로 유동을 해석하는 Scheme으로는 2차 풍상차분법(2nd order upwind difference scheme)을 사용하였다.

성능/효과

1) COANDA-effect 제어와 Diffuser 효과 증대를 위한 형상변형을 통해 Trunk rear edge kick up 각도가 20도 일 때 최대 7.510%, Side rear edge 변형 80mm일 때 최대 8.696% 그리고 Rear undercover 변형 160mm일 때 최대 11.462% 공기저항이 감소되는 것을 확인하였다.
2) 각 형상 변형을 조합하여 동시에 적용하여 CFD 수치해석을 수행할 경우 선택된 형상 변형이 외부유동에 대해 서로 독립적으로 영향을 미치는 것이 아니고 서로 교호작용하는 것을 확인할 수 있었고, 3가지 YF SONATA의 후면 형상 변형 방식 중 Rear undercover의 변형이 공력성능에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
3) YF SONATA의 후면 형상변형은 소폭의 변형으로 최대 약 11.5% 정도까지 공기저항 감소가 가능하다는 점에서 연비 향상의 효과를 기대할 수 있다.
그러나 형상변화를 조합하여 얻어진 결과는 Case C의 L_e=160mm인 경우보다 높은 C_D값을 보였다. 단일 형상 변화를 적용했을 때 발생하는 유동패턴의 변화들이 동시에 발생하게 되면서 서로 상호작용을 거치며 단일 형상 변화를 적용한 경우에 비해 공력성능의 향상이 상대적으로 약화되었다.
11에서 빨간색으로 표시한 화살표의 방향으로 유도항력이 발생한다. 따라서 Case B에서는Case A의 방식과 비슷하게 Side rear edge를 Finite한 각을 가지도록 형상을 변형함으로써 일정량의 Separation 을 발생시켜 COANDA-effect를 약화시키고 결국 최종 C_D값이 Baseline에 비해서 감소함으로써 공력적으로 더 우수한 성능이 나타났음을 확인할 수 있다.
또한 Trunk rear edge kick up을 주었음에도 불구하고 유동이 차체로부터 떨어져 발생하는 Separation으로 인한 차 후방 유량의 감소도 거의 없다는 것도 확인할 수 있다. 따라서 차량의 Undercover를 지나오며 위쪽으로 밀치고 올라오는 유동과 만나게 되어 차 후방에서의 유량도 Baseline의 수준과 비슷하게 유지하게 되고, 최종적으로 COANDA-effect와 C-pillar vortex에 의한 내리씻음으로 인해 발생되는 유도항력이 급격히 약해져 전체적으로 C_D값이 감소한 것을 확인할 수 있다.
즉, YF SONATA 후면주위에서의 압력은 Undercover를 지나온 유동과 Trunk를 지나온 유동으로 대부분 구성되게 되는데, Diffuser효과가 강해져 후방의 유동이 더 높은 압력을 갖게 되어 (a)에 비해 차 전면과 후면의 압력차를 줄여주게 된다. 또한 Elongation length가 길면 Diffuser 효과가 더 크게 나타나게 되어 결과적으로 L_e값이 증가할수록 C_D감소 효과가 더 크게 나타난 것이다.
결국 이것은 다시 유도항력을 증가시키는 결과로 이어지게 된다. 또한 Single modification(Case A~C)에서 외부 유동의 특성을 변화시켰던 각각의 형상변형이 동시에 적용되었을 경우, 각각의 Case에서 발생했던 외부유동의 특성이 그대로 나타나지 않고 그 특성이 어느 정도 약해져서 나타난다는 사실을 통해 각각의 형상 변형들이 최종 C_D값과 공력특성을 결정짓는 데 독립적으로 영향을 주지 않고 상호 연관되어 영향을 미치며, 3변수 중 Rear undercover가 C_D에 가장 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
8에서 화살표는 유동의 흐름 방향을 나타내고 길이는 유속 크기와 무관하며, C_D값이 가장 많이 감소한 (b)는 Trunk rear edge kick up의 영향으로 인해 (a)에 비해 내리씻음 유동이 눈에 띄게 감소한 것을 확인할 수 있다. 또한 Trunk rear edge kick up을 주었음에도 불구하고 유동이 차체로부터 떨어져 발생하는 Separation으로 인한 차 후방 유량의 감소도 거의 없다는 것도 확인할 수 있다. 따라서 차량의 Undercover를 지나오며 위쪽으로 밀치고 올라오는 유동과 만나게 되어 차 후방에서의 유량도 Baseline의 수준과 비슷하게 유지하게 되고, 최종적으로 COANDA-effect와 C-pillar vortex에 의한 내리씻음으로 인해 발생되는 유도항력이 급격히 약해져 전체적으로 C_D값이 감소한 것을 확인할 수 있다.
특히, θ가 20°일 경우 CD가 Baseline보다 약7.510% 감소하여 가장 큰 효과를 보이고 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 형상의 과도한 변형을 지양해야하는 이유는?	따라서 공기역학적 지식을 바탕으로 자동차의 후면 형상을 변형하여 외부유동패턴을 제어할 수 있다면 공력특성을 향상시킬 수 있고 결국 연비도 개선할 수 있다. 그러나 자동차의 형상을 변형하는 것은 미적인 측면을 비롯한 차량설계 시 고려해야할 많은 측면들과의 마찰이 필수적으로 발생하게 되므로 과도한 변형은 지양하여야한다.
	유럽이나 북미 등과 같은 지역에서 항력계수에 대한 논의가 더 중요하게 이루어지는 까닭은?	따라서 자동차 공기역학 분야1-4)는 자동차의 외부 형상에 따라 주행 시 외부 유동이 자동차의 공력 특성에 미치는 역할을 파악하고 이를 이용하여 항력 감소를 통한 연비의 향상을 이룩하는 것이 가장 큰 목표이다. 항력계수는 자동차의 주행 속도의 제곱에 비례하고 연비 제곱에 반비례하는 특성을 가지고 있기 때문에 고속으로 주행할 기회가 많은 유럽이나 북미 등과 같은 지역에서 더 중요하게 논의 되고 있다. 이에 따라 그 동안의 많은 연구에서 자동차의 외부유동에 의한 항력이 자동차의 연비에 직접적으로 영향을 준다는 것이 잘 알려져 있으며, 이러한 연구를 위한 각종 실험이나 CFD(Computational Fluid Dynamics) 수치해석도 많이 행해져왔다.
	승용차의 후면 형상을 변형하여 공력성능을 향상시키기 위한 연구로 YF SONATA의 형상을 대표적으로 이용하고 CFD 수치해석을 수행함으로써 공력특성과 CD(Drag Coefficient)값의 변화를 분석하여 얻은 결과는?	1) COANDA-effect 제어와 Diffuser 효과 증대를 위한형상변형을통해Trunk rear edge kick up 각도가 20도 일 때 최대 7.510%, Side rear edge 변형 80mm일 때 최대 8.696% 그리고 Rear undercover 변형 160mm일 때 최대 11.462% 공기저항이 감소되는 것을 확인하였다. 2) 각 형상 변형을 조합하여 동시에 적용하여 CFD 수치해석을 수행할 경우 선택된 형상 변형이 외부유동에 대해 서로 독립적으로 영향을 미치는 것이 아니고 서로 교호작용하는 것을 확인할 수 있었고, 3가지 YF SONATA의 후면 형상 변형 방식 중 Rear undercover의 변형이 공력성능에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 3) YF SONATA의 후면 형상변형은 소폭의 변형으로 최대 약 11.5% 정도까지 공기저항 감소가 가능하다는 점에서 연비 향상의 효과를 기대할 수 있다.

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C.-H. Chien, J.-Y. Jang, Y.-H. Chen and S.-C. WU, "3-D Numerical and Experimental Analysis for Airflow Within a Passenger Compartment," Int. J. Automotive Technology, Vol.9, No.4, pp.437-445, 2008.
S. O. Kang, S. O. Jun, H. I. Park, Y. C. Ku, J. D. Kee, K. H. Kim and D. H. Lee, "CFD Flow Simulation and Aerodynamic Performance Prediction Around 3-D automobile Configuration Represented by Vehicle Modeling Function," Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.1306-1312, 2009.
J. D. Kee, M. S. Kim and B. C. Lee, "The COANDA Flow Control and Newtonian Concept Approach to Achieve Drag Reduction of Passenger Vehicle," SAE 2001-01-1267, 2001.
M. S. Oh, H. J. Lee and S. J. Kang, "CFD Study of the Effects of the Underbody and Rear Spoiler on the External Aerodynamic Characteristics of a Sedan," Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.193-199, 1993.
D. Geropp and H. -J. Odenthal, "Drag Reduction of Motor Vehicles by Active Flow Control Using the Coanda Effect," Experiments in Fluids, Vol.28, No.1, pp.74-85, 2000.

상세보기
J. S. Kim, S. Kim, J. Sung, J. S. Kim and J. Choi, "Effects of an Air Spoiler on the Wake of a Road Vehicle by PIV Measurements," Journal of Visualization, Vol.9, No.4, pp.411-418, 2006.

상세보기
E. Wassen, S. Eichinger and F. Thiele, "Simulation of Active Drag Reduction for a Square- Back Vehicle," Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Vol.108, Active Flow Control II, pp.241-255, 2010.
J.-L. Aider, J.-F. Beaudoin and J. E. Wesfreid, "Drag and Lift Reduction of a 3D Bluff-body Using Active Vortex Generators," Experiments in Fluids, Vol.48, No.5, pp.771-789, 2010.

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K. S. Song, S. O. Kang, H. I. Park, J. D. Kee, K. H. Kim and D. H. Lee, "External Flow Simulation of a Passenger Car for Drag Reduction," Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.1116-1125, 2010.
S. O. Kang, S. O. Jun, H. I. Park, Y. C. Ku, J. D. Kee, D. H. Hong, K. H. Kim and D. H. Lee, "Influence of Rotating Wheel and Moving Ground Condition to Aerodynamic Performance of 3-Dimensional Automobile Configuration," Transactions of KSAE, Vol.18, No.5, pp.100- 107, 2010.

원문보기 상세보기
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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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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