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문제 정의
- 최종적인 자동차의 형상이 갖는 CD값은 단순히 각 부분의 형상이 유동 장에서 가지는 CD의 값들 간의 단순 합으로 나타나지 않고 적용된 형상이 Car body의 후방 압력 회복에 영향을 주어 CD의 값을 변화시킨다. 따라서 이번 연구에서는 가장 기본적인 YF SONATA의 외부 형상에서부터 출발하여, 각각의 형상(Side mirror, Arch, And Wheel)이 적용되면서 이들 형상이 가지는 자체 CD값과 Baseline의 CD값이 어떻게 변화하는지 살펴보고 그 영향의 정도를 파악하였다. 최종적으로 추후 자동차의 공력성능을 향상시키기 위한 연구에 참고자료로 사용될 수 있도록 함이 목표이다.
- 따라서 이번 연구에서는 가장 기본적인 YF SONATA의 외부 형상에서부터 출발하여, 각각의 형상(Side mirror, Arch, And Wheel)이 적용되면서 이들 형상이 가지는 자체 CD값과 Baseline의 CD값이 어떻게 변화하는지 살펴보고 그 영향의 정도를 파악하였다. 최종적으로 추후 자동차의 공력성능을 향상시키기 위한 연구에 참고자료로 사용될 수 있도록 함이 목표이다. 이번 연구에서는 (주)현대자동차에서 2009년에 출시된 YF SONATA를 기본 연구 대상 차량으로 결정하였다.
제안 방법
- 1) 자동차의 중요한 형상 부분인 Car body, Wheel, Side mirror을 선정하여 CFD 수치해석을 통해 고속 주행 시 각 부분들이 공력 성능에 미치는 영향을 분석·비교하였다.
- 유출류(Outflow)는 대기압으로 하였다. 100km/h에 해당하는 Rotating wheel(84.175rad/s)과 Moving ground효과를 각각 적용하였다. Tunnel의 측면과 천장은 모두 Symmetry 조건을 주어 점성효과가 발생하지 않도록 하였다.
- Arch가 차체의 공력 성능에 미치는 영향을 알아 보기 위해 각 Case의 결과를 비교하였다.
- 5mm두께로 형성하였고, Ground 는 1mm의 간격으로 총 20mm를 생성하였다. Case가 6가지이고 격자의 수가 많아 수치해석에 상당한 시간을 요구할 것으로 생각되어 계산 시간을 단축하기 위해 Wind tunnel의 크기와 자동차 표면의 Mesh 밀도를 다르게 설정하여 Mesh의 크기와 개수를 다양하게 변화시킨 뒤 우선 해석을 하였다. 수렴된 최종 값들 중 Mesh의 수가 가장 작으면서 정확한 결과를 나타내는 경우를 본 연구의 기본 수치해석 격자로 사용하기로 하였다.
- Side mirror의 항력계수(CD-M)를 구하기 위해 Case 4, 5, 6에서 Side mirror에 작용하는 Drag를 비교 분석 하였다.
- 175rad/s)과 Moving ground효과를 각각 적용하였다. Tunnel의 측면과 천장은 모두 Symmetry 조건을 주어 점성효과가 발생하지 않도록 하였다.5) Fig.
- Wheel의 항력계수(CD-W)를 구하기 위해 Wheel에 작용하는 공기저항을 비교 분석하였다.
- Wheel이 Body의 공기저항 증가에 미친 영향을 알아보기 위해 각 Case에서의 CD-B의 값을 비교하였다.
- 전체적인 계산효율을 향상시키기 위해 전체 형상의 절반만을 이용하여 3차원 격자를 생성하였다. YF SONATA의 격자를 구성하는 데는 상용프로그램인 GAMBIT과 Tgrid를 사용하였다.
- 31이다. 그러나 본 연구에서 구현된 YF SONATA의 형상은 전두부를 막아 엔진룸으로 공기가 유입이 되지 않도록 하였고, 정지 상태에서 측정하는 풍동 실험과 달리 Rotating wheel과 Moving ground효과를 주었다. 기존의 연구 및 실험결과로부터 차량의 풍동실험시 이러한 조건을 주어 풍동 실험을 수행한다면 기존에 비해 약 10~15% 정도의 공기 저항이 감소한다는 것이 알려져 있다.
- 또한 100km/h(27.78m/s)로 자동차가 달리는 조건을 구현하기 위해 Velocity inlet으로부터 100km/h의 유입류(Inflow)가 불어오도록 설정하였다. 유출류(Outflow)는 대기압으로 하였다.
- Case가 6가지이고 격자의 수가 많아 수치해석에 상당한 시간을 요구할 것으로 생각되어 계산 시간을 단축하기 위해 Wind tunnel의 크기와 자동차 표면의 Mesh 밀도를 다르게 설정하여 Mesh의 크기와 개수를 다양하게 변화시킨 뒤 우선 해석을 하였다. 수렴된 최종 값들 중 Mesh의 수가 가장 작으면서 정확한 결과를 나타내는 경우를 본 연구의 기본 수치해석 격자로 사용하기로 하였다. Table 1에 Grid size 정보를 나타내었다.
- B, C, D의 경우 CD값이 예측한 범위 내에 위치하였기 때문에 실제 YF SONATA와 비교하였을 때 충분히 신뢰할 만한 결과를 얻었다고 사료된다. 위의 Grid size test에 서 그리고 이 중 Mesh가 가장 적은 B의 격자 구성을 본 연구에서 사용하기로 하였다.
- 0109 증가하였다. 이러한 현상이 발생한 원인을 분석하기 위해 Side mirror 부근의 유동 장을 분석하였다.
- 값은 일정한 범위 내에서 급격하게 변화한다. 이런 경향은 동일하게 나타났고 계속 반복되어 나타날 것으로 사료되어 자동차가 주행을 시작하고 5초까지의 CD값의 평균값을 최종 CD로 결정하였다. 한 예로 Case C의 CD변화를 Fig.
- 이번 연구에서는 이처럼 다양한 연구들을 참고하여 자동차 형상을 4가지로 나누어(Car body, Side mirror, Arch, And Wheel) 자동차의 고속 주행(100km/h) 조건에서 각 부분이 전체 공기저항에 미치는 영향을 CFD 수치해석을 통해 분석하였다. 최종적인 자동차의 형상이 갖는 CD값은 단순히 각 부분의 형상이 유동 장에서 가지는 CD의 값들 간의 단순 합으로 나타나지 않고 적용된 형상이 Car body의 후방 압력 회복에 영향을 주어 CD의 값을 변화시킨다.
- 전체적인 계산효율을 향상시키기 위해 전체 형상의 절반만을 이용하여 3차원 격자를 생성하였다. YF SONATA의 격자를 구성하는 데는 상용프로그램인 GAMBIT과 Tgrid를 사용하였다.
대상 데이터
- 최종적으로 추후 자동차의 공력성능을 향상시키기 위한 연구에 참고자료로 사용될 수 있도록 함이 목표이다. 이번 연구에서는 (주)현대자동차에서 2009년에 출시된 YF SONATA를 기본 연구 대상 차량으로 결정하였다.
- 경계층이 형성되는 부분(Car, Wheel, And Ground) 은 Boundary prism mesh를 먼저 구성하였다. 차체는 0.5mm간격으로 총 6.5mm두께로 형성하였고, Ground 는 1mm의 간격으로 총 20mm를 생성하였다. Case가 6가지이고 격자의 수가 많아 수치해석에 상당한 시간을 요구할 것으로 생각되어 계산 시간을 단축하기 위해 Wind tunnel의 크기와 자동차 표면의 Mesh 밀도를 다르게 설정하여 Mesh의 크기와 개수를 다양하게 변화시킨 뒤 우선 해석을 하였다.
데이터처리
- 주 유체해석 프로그램으로서 상용 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였다. 해석 과정에서 계산의 빠른 수렴 성을 가지게 하기 위해 예조건화기법(Pre-conditioning method)을 이용한 Coupled 방정식을 사용하였다.
이론/모형
- 해석 과정에서 계산의 빠른 수렴 성을 가지게 하기 위해 예조건화기법(Pre-conditioning method)을 이용한 Coupled 방정식을 사용하였다. 2차 풍상차분법(2nd order upwind difference scheme)을 사용하여 해석을 하였으며, 이 Scheme은 시간, 공간에 대하여 2차의 정확도를 가진다. 적분을 하는 과정에서는 효율적인 해석을 수행하기 위해 Pressure based인 내재적 기법(Implicit scheme)을 사용하였다.
- 적분을 하는 과정에서는 효율적인 해석을 수행하기 위해 Pressure based인 내재적 기법(Implicit scheme)을 사용하였다.6) 난류모델로서는 자동차 주위 비정상 유동으로 인한 박리와 Eddy 등이 강하게 발생하는 영역에서 난류 현상을 아주 잘 포착하는 것으로 알려진 Realizable K-epsilon 기반의 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation)와 LES (Large Eddy Simulation)의 하이브리드 모델인 DES(Detached Eddy Simulation)모델을 사용하였다.7-9)
- 2차 풍상차분법(2nd order upwind difference scheme)을 사용하여 해석을 하였으며, 이 Scheme은 시간, 공간에 대하여 2차의 정확도를 가진다. 적분을 하는 과정에서는 효율적인 해석을 수행하기 위해 Pressure based인 내재적 기법(Implicit scheme)을 사용하였다.6) 난류모델로서는 자동차 주위 비정상 유동으로 인한 박리와 Eddy 등이 강하게 발생하는 영역에서 난류 현상을 아주 잘 포착하는 것으로 알려진 Realizable K-epsilon 기반의 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation)와 LES (Large Eddy Simulation)의 하이브리드 모델인 DES(Detached Eddy Simulation)모델을 사용하였다.
- 주 유체해석 프로그램으로서 상용 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였다. 해석 과정에서 계산의 빠른 수렴 성을 가지게 하기 위해 예조건화기법(Pre-conditioning method)을 이용한 Coupled 방정식을 사용하였다. 2차 풍상차분법(2nd order upwind difference scheme)을 사용하여 해석을 하였으며, 이 Scheme은 시간, 공간에 대하여 2차의 정확도를 가진다.
성능/효과
- Fig. 8의 (a)와 비교해볼 때 Side mirror에 의한 영향은 상당히 약화되었고, Arch에 의해 압력의 변화가 크게 나타났다는 것을 알 수 있다. 차량의 후방에서의 압력분포도 Arch의 영향이 더 높은 것을 확인할 수 있다.
- 2) Arch와 Wheel이 형상에 적용되면 차량 주위에 복잡한 유동패턴이 발생하여 차체의 공기저항이 급격하게 증가하였다. 약 0.
- 3) 승용차의 고속 주행 시(100km/h) 전체 공기저항 에서 자체 형상만을 고려하였을 시 Car body는 76.4%, Wheel은 17.5%, Side mirror는 6.1%를 차지한다. 각 부분이 추가됨으로써 차체의 저항을 증가시키는 영향까지 고려한다면, Car body는 52.
- Grid size를 바꿔가며 수치해석을 한 결과, DES 난류모델 사용에 따른 Unsteady LES 영역에서 수치해석을 수행하는 동안 CD값은 일정한 범위 내에서 급격하게 변화한다. 이런 경향은 동일하게 나타났고 계속 반복되어 나타날 것으로 사료되어 자동차가 주행을 시작하고 5초까지의 CD값의 평균값을 최종 CD로 결정하였다.
- ① Group A에서 Side mirror만 적용하였을 경우 Baseline의 저항계수(CD-B)도 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. Case 1과 4의 경우 CD-B는 0.
- 0067 증가하였다. 결과적으로 Group A에서 나타났던 Side mirror의 영향의 절대적 크기가 절반 정도로 감소하였다. 원인을 분석하기 위해 압력과 Streamline을 Fig.
- Arch가 존재할 때 많은 유동이 방향을 변경하여 Arch의 주위로 흐르게 되며 (b)에서 타원으로 표시한 부분, 즉 Side mirror을 지나가는 유동 역시 이러한 영향을 받게 되어 결국 그 주변을 다른 영역의 유동이 채워주므로 전체적인 유량의 차이는 거의 변화가 없다. 결과적으로 Side mirror에 의해 유동이 받는 영향이 감소하게 되므로 CD-B의 증가폭이 Arch가 없을 때 보다 감소했다고 사료된다. Case 3, 6도 비슷한 조건에서 비슷한 경향이 나타난다.
- Wheel의 앞부분 유동은 바퀴의 회전방향과 반대이므로 마찰로 인한 손실이 크고, 뒷부분 유동은 바퀴의 회전방향과 거의 동일하므로 운동량을 오히려 공급 받게 된다. 결과적으로 Wheel이 추가되면서 대부분의 유량이 바퀴의 앞쪽에 부딪히고, 급격한 운동량 손실이 발생하므로, Wheel의 CD-W가 높은 결과를 보였다고 사료된다.12)
- 6%를 차지한다. 두 분석을 통해 결과적으로 Side mirror 에 비해 Wheel이 자동차의 공력성능을 가장 크게 악화시킨다는 것을 정량적으로 파악할 수 있다.
- 2) Arch와 Wheel이 형상에 적용되면 차량 주위에 복잡한 유동패턴이 발생하여 차체의 공기저항이 급격하게 증가하였다. 약 0.05~0.06 정도의 크기를 보였으며, 이 부근에서 손실된 유동의 압력이 차체 후방의 압력회복에 영향을 미침을 확인 하였다.
- 차체의 공기저항 계수(CD-B)의 증가량을 각 형상의 CD 값으로 간주하여 계산한 결과, 차체의 비율은 Table 10의 76.4%에서 52.8%로 낮아지고, Side mirror 와 Wheel은 증가하였다. 특히, Wheel은 Table 8의 17.
- 0067이 최종적으로 차체의 저항계수로 고려되었다. 최종적으로 차체의 공기저항은 0.2036으로서 전체의 약 76.4%를 차지함을 알 수 있다.
- 후면의 압력이 감소한 이유로는 첫 번째, Case 1와 4 모두 차체의 주위에서 유동이 가속되면서 압력이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 Case 4에서는 Side mirror 전방에 비해 후방에서의 압력이 급격하게 저하된다.
후속연구
- 이번 연구에서 얻은 결과와 지식을 바탕으로 향후 자동차의 공력성능을 향상시킬 수 있는 연구를 계속 수행할 것이다.
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