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문제 정의
- 본 연구는 정확하고 효율적인 공력소음 해석을 위해서 위에서 설명한 바와 같이 공력소음 해석 과정을 개발하였다.
- 본 연구는 차량에 부착되는 중요한 외부 장착물 중의 하나인 OSRVM이 주변을 흐르는 유동을 교란시켜 공력 소음을 발생시킬 때 운전석에서 감지되는 공력 소음의 크기를 정확하고 효율적으로 예측할 수 있는 공력소음 해석 과정을 개발하는데 있으며, 궁극적으로 쾌적한 운전환경을 구현하는데 요구되는 OSRVM의 공력 설계 자료를 제공하는 것을 최종 목표로 하고 있다. 이를 위해 단순화된 형상의 OSRVM을 해석 대상으로 선정하여 상용코드인 Fluent를 사용하여 DES-SA, LES Constant SGS, LES Dynamic SGS 난류 모델을 사용하여 비정상 유동을 해석하고, Fluent에서 제공하는 FW-H Acoustic Analogy12-14)를 사용하여 공력소음을 해석하였으며, 그 결과를 앞서 연구된 논문의 실험값8)과 비교하여 본 연구에서 개발한 공력소음 해석과정을 검증하였다.
제안 방법
- OSRVM 주변 유동 장에서 발생하는 복잡한 유동 현상으로 인해서 운전석 창문에서 발생하는 공력소음을 보다 효율적이고 정확하게 해석할 수 있는 공력소음 해석 과정을 개발하였으며, ReD = 5.2 × 105 조건에서 단순화된 OSRVM 형태의 모델을 사용하여 계산한 수치해석 결과와 실험결과와의 비교를 통해서 해석 과정의 타당성을 검증하였다.
- ③단계 해석 시점으로 부터 10(D/U)간격으로 동일한 Receiver Point에서 소음의 크기를 비교하였다. 그 결과 ③단계 해석 시점으로 부터 계산 시간이 증가 할수록 보다 정확하게 소음이 예측되는 것을 알 수 있었으며, Fig.
- 비정상 유동 해석의 초기 값은 K-ε Realizable 난류 모델을 사용하여 해석한 정상 유동 해석 결과 값을 사용하였고, 비정상 유동해석을 위한 난류 모델은 DES-SA, LES Constant SGS, LES Dynamic SGS 난류 모델을 각각 적용하였다. 공력소음 해석에서 난류 모델의 차이를 알아보기 위해 세 난류 모델 모두 Y+=1의 동일한 격자를 이용하여 해석하였다. 또한 공력소음 해석을 위해 상용코드 Fluent에서 제공하는 FW-H Acoustics Analogy12-14)을 이용하였다.
- 1에서 보여준 것과 같이 40D×20D×70D 크기를 갖는다. 또한 OSRVM 주변의 복잡한 유동 현상을 정확히 해석하기 위하여 OSRVM 주위로 Block 하나를 추가하여 격자의 조밀도를 향상시켰다. 여기서 D(0.
- 2와 같이 OSRVM의 표면에 2mm의 간격으로 비정렬 표면격자를 생성하였으며, 완성된 표면격자를 바탕으로 격자 생성 상용프로그램인 T-GRID를 이용하여 Y+=1의 약 635만개의 공간격자를 생성하였다. 또한 공간격자 생성 시 경계층을 정확히 계산하기 위하여 실린더에서의 Laminar Blasius Solution15)을 적용하여 OSRVM 표면으로부터 0.59mm 이내에 격자 10개가 생성되게 하였고, 총 14층의 경계층 격자를 생성하였다.
- 또한 더 나아가 어떠한 난류 모델이 공력소음 해석에서 더 정확한 해석 결과를 주는 지를 파악하기 위하여 동일한 격자에 대해 DES-SA, LES Dynamic SGS, LES Constant SGS 난류 모델을 적용하여 공력소음 해석을 진행하였다.
- 3과 Table 1에 나타나 있다. 본 연구는 OSRVM과 OSRVM이 부착된 Table은 벽면 경계조건(No Slip)을 사용하였고, 유입 경계조건은 자유흐름조건(Free Stream)을 사용하였으며, 속도는140km/h 즉, 39m/s로 설정하였다. 유출 경계조건은 균일 압력 조건을 사용하였으며, 이때 압력은 대기압으로 설정하였다.
- 비정상 유동 해석의 시간 간격(Time Step)은 통계적으로 비정상 유동 해석의 결과 값을 얻을 때까지 107.25(D/U) 동안 ∆t = 5.0 × 10-4s으로 진행하였으며, 공력소음 해석 시에는 ∆t = 1.0 × 10-4s으로 설정 하여 90(D/U)동안 공력소음 해석을 진행하였다.
- 공력소음을 해석하기 위해 가장 먼저 정상 유동 해석을 수행한다. 수렴한 정상 유동 해석 결과를 비정상 유동 해석의 초기 값으로 설정하여 비정상 유동 해석을 진행한다.
- 본 연구는 OSRVM과 OSRVM이 부착된 Table은 벽면 경계조건(No Slip)을 사용하였고, 유입 경계조건은 자유흐름조건(Free Stream)을 사용하였으며, 속도는140km/h 즉, 39m/s로 설정하였다. 유출 경계조건은 균일 압력 조건을 사용하였으며, 이때 압력은 대기압으로 설정하였다. Inner Box는 Interior로 설정하여, 유동해석 결과에 어떠한 영향도 미치지 않게 하였다.
- 본 연구는 차량에 부착되는 중요한 외부 장착물 중의 하나인 OSRVM이 주변을 흐르는 유동을 교란시켜 공력 소음을 발생시킬 때 운전석에서 감지되는 공력 소음의 크기를 정확하고 효율적으로 예측할 수 있는 공력소음 해석 과정을 개발하는데 있으며, 궁극적으로 쾌적한 운전환경을 구현하는데 요구되는 OSRVM의 공력 설계 자료를 제공하는 것을 최종 목표로 하고 있다. 이를 위해 단순화된 형상의 OSRVM을 해석 대상으로 선정하여 상용코드인 Fluent를 사용하여 DES-SA, LES Constant SGS, LES Dynamic SGS 난류 모델을 사용하여 비정상 유동을 해석하고, Fluent에서 제공하는 FW-H Acoustic Analogy12-14)를 사용하여 공력소음을 해석하였으며, 그 결과를 앞서 연구된 논문의 실험값8)과 비교하여 본 연구에서 개발한 공력소음 해석과정을 검증하였다.
- 2의 단순화된 OSRVM을 해석 대상으로 개발된 공력소음 해석 과정을 이용하여 공력소음해석을 수행하였고, 그 결과를 앞서 연구된 논문의 실험결과8)와 비교하였다. 특히 기존 연구결과 중 시간 평균의 압력 계수, 소음 원의 강도, 공력소음 등을 비교하였다.
- 표면격자는 Fig. 2와 같이 OSRVM의 표면에 2mm의 간격으로 비정렬 표면격자를 생성하였으며, 완성된 표면격자를 바탕으로 격자 생성 상용프로그램인 T-GRID를 이용하여 Y+=1의 약 635만개의 공간격자를 생성하였다. 또한 공간격자 생성 시 경계층을 정확히 계산하기 위하여 실린더에서의 Laminar Blasius Solution15)을 적용하여 OSRVM 표면으로부터 0.
대상 데이터
- 2 × 105 조건에서 단순화된 OSRVM 형태의 모델을 사용하여 계산한 수치해석 결과와 실험결과와의 비교를 통해서 해석 과정의 타당성을 검증하였다. 또한 해석에 사용되는 난류 모델의 정확성을 비교하기 위해서 서로 다른 3종류의 난류 모델이 사용되었다.
- 이번 연구는 공력소음과 밀접한 관련이 있는 1000Hz를 주 관심 소음 영역대로 선정하였으며, 따라서 ∆t 를 1.0 × 10-4s로 설정하였다.
- 이번 연구에 사용될 OSRVM 형상은 검증용으로 사용될 논문의 실험8)과 동일한 Fig. 2와 같은 단순화된 형상의 OSRVM이며, 높이는 1.5D, 두께는 0.5D, 가로 폭은 D의 크기를 갖는다.
데이터처리
- 1) OSRVM 주위의 공력소음을 효율적이고 정확하게 해석하기 위해서 해석 단계를 크게 3단계로 구분하였으며, 각 단계별로 해석을 수행하는 방법과 해석결과의 정확성을 판단할 수 있는 근거를 제시하였으며, 해석 과정의 타당성을 실험 결과와의 검증을 통해서 입증하였다.
- 개발된 공력소음 해석 과정이 올바른지 검증하기 위하여, Fig. 2의 단순화된 OSRVM을 해석 대상으로 개발된 공력소음 해석 과정을 이용하여 공력소음해석을 수행하였고, 그 결과를 앞서 연구된 논문의 실험결과8)와 비교하였다. 특히 기존 연구결과 중 시간 평균의 압력 계수, 소음 원의 강도, 공력소음 등을 비교하였다.
- 공력소음을 해석하기 위해 Höld와 Siegert5,6)는 단순화된 형상의 OSRVM에 대해 ReD = 7.066 × 105일 때, 소음의 생성과 전파에 대하여 실험을 수행하였고, URANS(Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)를 사용하여 서로 다른 조밀도를 갖는 3가지 격자에 대하여 해석하고 이를 실험 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 공력소음 해석에서 난류 모델의 차이를 알아보기 위해 세 난류 모델 모두 Y+=1의 동일한 격자를 이용하여 해석하였다. 또한 공력소음 해석을 위해 상용코드 Fluent에서 제공하는 FW-H Acoustics Analogy12-14)을 이용하였다.
- 비정상 유동 해석의 초기 값은 K-ε Realizable 난류 모델을 사용하여 해석한 정상 유동 해석 결과 값을 사용하였고, 비정상 유동해석을 위한 난류 모델은 DES-SA, LES Constant SGS, LES Dynamic SGS 난류 모델을 각각 적용하였다.
성능/효과
- 2) OSRVM 표면에서의 시간 평균의 Cp 값은DES-SA, LES Constant SGS, LES Dynamic SGS 세 난류 모델 모두 실험과 비교적 잘 일치하는 결과를 보여주었다.
- 3) OSRVM과 OSRVM이 장착된 Table 표면에서의 Noise Source Level의 예측은 LES Dynamic SGS 난류 모델이 가장 정확한 해석 결과를 주었으나, 공력소음에 대한 예측은 LES Constant SGS 난류 모델이 가장 정확한 해석 결과를 주었다. 따라서 FW-H Analogy를 사용하여 공력소음을 예측할 경우 LES Constant SGS 난류모델이 가장 추천된다.
- ③단계 해석 시점으로 부터 10(D/U)간격으로 동일한 Receiver Point에서 소음의 크기를 비교하였다. 그 결과 ③단계 해석 시점으로 부터 계산 시간이 증가 할수록 보다 정확하게 소음이 예측되는 것을 알 수 있었으며, Fig. 8과 같이 80(D/U)과 90(D/U)에서 소음해석 결과에 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 이러한 이유로 공력소음 해석을 위한 계산시간을 90(D/U)로 결정하였다.
- 이러한 시간에 따른 RMS Pressure Fluctuation결과를 보면 유동이 OSRVM을 지나면서 OSRVM 후방의 위아래에 반복적인 압력변화를 발생시키는 것을 알 수 있다. 또한 해석 시간을 79.95(D/U)만큼 충분히 진행함에 따라 압력변화의 경향이 더 이상 거의 변함없는 것을 확인하였다.
- 13의 M1, M4위치에서 DES-SA, LES Constant SGS 난류 모델의 공력소음 해석 결과가 실험 결과8)와 매우 유사한 것을 알 수 있다. 특히 LES Constant SGS 난류 모델의 해석 결과가 매우 정확하였다. LES Dynamic SGS 난류 모델의 경우 200Hz까지는 실험결과8)와 매우 유사하였지만, 이후로 점차 실험값8)보다 높게 공력소음을 예측하였다.
- 평균 압력 계수 분포를 보면 단순화된 OSRVM의 모서리 부분에서는 DES-SA 난류 모델의 해석 결과가 다른 난류 모델의 해석 결과보다 더 정확한 것을볼 수 있고, 뒷면 부분에서는 LES Dynamic SGS 난류 모델의 해석 결과가 다른 난류 모델의 해석 결과 보다 정확성이 더 높은 것을 볼 수 있다. 또한 단순화된 OSRVM 앞면에서는 세 가지 난류 모델의 해석 결과 모두 정확성이 높은 것을 알 수 있다.
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