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문제 정의
- 4는 실험을 수행한 논문6)에 수록된 항력계수 결과와 계산 결과를 비교한 그래프로서 전체적으로 실험 결과보다 높게 예측되었으며 Strachan13)의 논문에서도 유사한 결과를 얻었다. 본 논문에서는 차체 표면 격자에 y+= 5를 사용하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있도록 하였다.
- 본 연구는 소형 승용차량에 장착된 OSRVM의 외부 형상 변경 및 장착 위치의 변경이 차량 전체의 공력성능에 어떻게 영향을 미치는가를 상용 프로그램인 FLUENT를 이용하여 분석해 보고자하며,5) 이를 토대로 OSRVM의 최적 형상을 설계할 수 있는 설계 능력을 확보하는 데 연구 목적을 두고 있다.
가설 설정
- 입구에서 유입속도는 고속주행을 가정한 속도 (V∞ = 110km/h)로 설정하여 균일 유입 속도 조건을 적용하였고 차량의 전장 길이(3.6m)를 사용하여 본 연구의 Reynolds number는 7.53 × 106을 사용하여 계산을 수행하였다.
제안 방법
- Ahmed Body의 형상 및 크기는 실험을 수행한 논문6)에 기재된 것과 동일한 형상과 크기로 모델링을 수행하였고 이는 Fig. 1과 같다. 실험을 수행한 결과와 비교하기 위해 Ahmed Body의 앞부분은 Forebody part, 각도가 변하는 부분의 면은 Slant surface, Ahmed Body 뒤쪽 부분의 수직으로 형성된 면은 Vertical rear 부분으로 나누어 모델링을 수행하였다.
- 하우징의 곡률을 유지하기 위하여 스케일 조정을 통해 모델링하였다. 따라서 동일한 하우징의 곡률을 지니고 전체적인 크기가 다른 OSRVM을 모델링 하여 계산을 수행하였다. (기본 형상을 지닌 OSRVM을 0으로 하고 하우징 높이를 낮춘 형상을 -30, -20, -10, 늘린 형상을 +10, +20, +30으로 명명한다.
- 또한, Bahram,12) Strachan13)은 실험과 수치 해석을 둘 다 수행하여 실험 결과와 수치 해석 결과를 비교하였고 공력성능의 예측에서 난류모델에 따른 각 수치 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 따라서 앞서 연구된 기존 논문들의 실험 결과 및 수치 해석 결과를 비교하기 위해 Ahmed Body를 해석 모델로 선정해 유동 해석을 수행하였다.
- 또한 유동장 영역 안쪽에 박스 1과 박스 2를 만들어 차량 주변 격자 계를 좀 더 조밀하게 생성할 수있도록 하였다. 차량 주위를 흐르는 유체는 공기(ρ= 1.
- 차량의 표면은 점착조건을 적용하였고, 지면의 조건은 실제 차량이 이동하는 것을 모사하여 지면 표면에서 경계층이 자라는 것을 방지하기 위해 움직이는 벽면 조건(Moving wall condition)을 사용하였다. 또한, 본 연구에서는 전체 차량 대신 차량의 절반 형상을 사용하여 대칭 조건을 적용하였고, 그 외의 경계조건 또한 대칭조건을 적용하였다. Fig.
- 목 높이를 늘린 형상은 5mm까지 증가시켰고 목 높이를 낮춘 형상은 30mm 까지 낮추었다. 모델링은 목의 높이만을 낮추어서 모델링을 수행하였고 OSRVM의 형상을 고려하여 목 높이 변경의 한계 설정 기준을 결정하였다. (기본 형상을 지닌 OSRVM을 0으로 명명하고 목 높이를 낮춘 형상을 각각 -5, -10, -15, -20, -25, -30으로 명명, 목 높이를 높인 형상을 5로 명명한다.
- 9는 OSRVM의 외형 매개변수들을 나타낸 그림이다. 본 연구에서는 이 중 Mounting location과 Stalk height, Housing height를 외형 매개변수로 선정하여 연구를 수행하였다.
- 1과 같다. 실험을 수행한 결과와 비교하기 위해 Ahmed Body의 앞부분은 Forebody part, 각도가 변하는 부분의 면은 Slant surface, Ahmed Body 뒤쪽 부분의 수직으로 형성된 면은 Vertical rear 부분으로 나누어 모델링을 수행하였다.
- 23은 전방 유리면의 압력 분포를 나타낸 그림이다. 압력 분포도의 범위를 0Pa ~ 200Pa로 설정하여 변화를 가급적 선명하게 볼 수 있도록 하였다. 압력 항력의 차이가 1N 이내의 미소한 차이를 보이기 때문에 압력 분포도 역시 큰 차이를 보이지 않지만 그림에서 보는 바와 같이 하우징 높이가 증가함에 따라 전방 유리면에 형성된 정체 면적이 약간씩 증가함을 볼 수 있다.
- 장착 위치는 기본 모델을 기준으로 차량 후방으로 10mm, 5mm, 전방으로 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm를 모델링하여 계산을 수행하였다. 운전석의 시야를 고려해 전방과 후방으로만 모델링을 수행하였고 OSRVM의 장착 위치 한계에 의해 Case를 선정하였다. (실제 OSRVM 장착위치를 기준으로 차량 후방으로 이동한 형상은 -10, -5로 명명, 전방으로 이동한 형상은 10, 20, 30, 40, 50으로 명명하고 기본 형상은 0으로 명명한다.
- 유동 해석에 이용할 유동장 영역의 크기는 유동장 외부 경계 면에서 충분히 자유 흐름조건이 형성되는지를 판단하여 결정하였다. 전방으로 전장의 10배, 후방으로 전장의 35배, 측방으로 전폭의 15배, 높이는 전고의 15배로 설정하였다.
- 장착 위치는 기본 모델을 기준으로 차량 후방으로 10mm, 5mm, 전방으로 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm를 모델링하여 계산을 수행하였다. 운전석의 시야를 고려해 전방과 후방으로만 모델링을 수행하였고 OSRVM의 장착 위치 한계에 의해 Case를 선정하였다.
- 유동 해석에 이용할 유동장 영역의 크기는 유동장 외부 경계 면에서 충분히 자유 흐름조건이 형성되는지를 판단하여 결정하였다. 전방으로 전장의 10배, 후방으로 전장의 35배, 측방으로 전폭의 15배, 높이는 전고의 15배로 설정하였다.
- 차량 외부 장착물 중의 하나인 OSRVM의 외부 형상 매개변수를 장착 위치, 목 높이, 하우징 높이로 선정하여 매개변수들이 차량의 공력성능에 어떻게 영향을 미치는가를 연구하였으며, 해석에 사용된 상용코드인 FLUENT는 Ahmed Body 주변의 외부유동 해석 연구를 통해 검증하였다.
- 출구조건은 출구에서 대기압으로 설정하여 균일 압력 조건을 적용하였다. 차량의 표면은 점착조건을 적용하였고, 지면의 조건은 실제 차량이 이동하는 것을 모사하여 지면 표면에서 경계층이 자라는 것을 방지하기 위해 움직이는 벽면 조건(Moving wall condition)을 사용하였다. 또한, 본 연구에서는 전체 차량 대신 차량의 절반 형상을 사용하여 대칭 조건을 적용하였고, 그 외의 경계조건 또한 대칭조건을 적용하였다.
- 7894×10-5 kg/(m･s)) 사용하였고 난류 모델은 Realizable k-ε모델을 사용하여 계산하였다. 참고논문 6번에 언급된 실험과 동일한 주행 속도인 60m/s 로 균일 유입 속도 조건을 적용하였고 출구조건은 대기압으로 설정하여 균일 압력 조건을 적용하였다. 이에 따라 동일한 Reynolds number인 4.
- 53 × 106을 사용하여 계산을 수행하였다. 출구조건은 출구에서 대기압으로 설정하여 균일 압력 조건을 적용하였다. 차량의 표면은 점착조건을 적용하였고, 지면의 조건은 실제 차량이 이동하는 것을 모사하여 지면 표면에서 경계층이 자라는 것을 방지하기 위해 움직이는 벽면 조건(Moving wall condition)을 사용하였다.
- 하우징 높이는 기본 모델을 기준으로 10%, 20%, 30% 순으로 증가, 10%, 20%, 30% 순으로 감소시킨 Case를 모델링하여 계산을 수행하였다. 하우징의 곡률을 유지하기 위하여 스케일 조정을 통해 모델링하였다.
- 하우징 높이는 기본 모델을 기준으로 10%, 20%, 30% 순으로 증가, 10%, 20%, 30% 순으로 감소시킨 Case를 모델링하여 계산을 수행하였다. 하우징의 곡률을 유지하기 위하여 스케일 조정을 통해 모델링하였다. 따라서 동일한 하우징의 곡률을 지니고 전체적인 크기가 다른 OSRVM을 모델링 하여 계산을 수행하였다.
데이터처리
- 차량의 공력성능 해석에서 해석을 수행할 상용 프로그램인 FLUENT 코드의 정확성을 검증하기 위해 코드 검증을 진행하였다.
이론/모형
- 이 부분은 Stationary wall 조건을 사용해 실험과 동일한 조건으로 모사하였다. Plate 이외의 계산영역 중 경계면 조건은 Symmetry 조건을 사용하였다.
- 차량 주위를 흐르는 유체는 공기(ρ= 1.225kg/m3, μ = 1.7894×10-5 kg/(m･s))를 사용하였고 난류 모델은 Realizable k-ε모델을 사용하여 계산하였다.
- 차량 주위를 흐르는 유체는 공기를(ρ=1.225kg/m3, μ=1.7894×10-5 kg/(m･s)) 사용하였고 난류 모델은 Realizable k-ε모델을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
- 1) OSRVM의 장착 위치는 기존의 장착 위치보다 차량 후방으로 10mm 이동시킨 경우가 가장 좋은 공력성능을 보였다.
- 2) 목 높이는 기존 목 높이보다 20mm 낮춘 경우가 차량의 공력성능 측면에서 가장 좋았다.
- 3) 하우징 높이를 감소시킬수록 차량의 공력성능이 향상되었다.
- 4) OSRVM의 장착 위치 선정과 목 높이의 설계는 OSRVM을 차량에 장착시킨 상태에서 해석을 수행해야 차량 전체의 공력성능 개선여부를 파악할 수 있다.
- 5) 하우징 높이의 설계는 OSRVM을 차량에 장착하지 않고 단독으로 해석을 수행한 뒤 차량 전체의 공력성능 예측에 활용할 수 있다.
- 5%로 적용하여 계산을 수행하였다.6) Ahmed Body의 표면은 점착조건을 적용하였고, 여기서 계산영역 내부의 Plate는 실험에서 이용했던 Ahmed Body를 올려놓은 Plate와 동일한 크기를 사용하였고 Plate의 크기는 길이 5.8m, 폭 3m이다. 이 부분은 Stationary wall 조건을 사용해 실험과 동일한 조건으로 모사하였다.
- 21과 같이 전방 유리면(Windshield)에 작용하는 압력 항력 부분이다. Fig. 21과 Fig. 24(a)로부터 차량의 항력 변화를 결정하는 가장 큰 요인은 OSRVM과 전방 유리면임을 알 수 있으며, 특히 차량의 공력성능을 결정짓는 가장 큰 부분은 OSRVM 부분으로 전방 유리면의 압력 항력 변화의 폭이 1N 이내인데 반해(Fig. 21), OSRVM의 항력 변화의 폭은 10N 이내임을 보이고 있다(Fig. 24(a)).
- Table 3에서 알 수 있듯이 전체 항력계수에 대한 오차는 10.3%~14.7%로 실험 결과보다 다소 높게 예측되었으며, 압력항력에 의한 예측이 마찰항력에 의한 예측보다 좋게 나타났다. 이러한 결과는 Fig.
- 결론적으로 장착 위치의 변경은 차체 후면에서 유동이 박리되는 지점을 변경시키고 후류의 크기및 위치 또한 변경을 일으키게 되어 공력성능에 영향을 미치게 되며, 이는 장착 위치의 선정은 반드시 차량에 OSRVM을 장착한 상태에서 해석이 수행되어야 함을 의미한다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 장착 위치를 기준 위치보다 차량 후방으로 10mm 이동한 경우가 공력성능 측면에서 가장 좋은 성능을 보인다고 판단할 수 있다.
- 01이내의 비교적 큰 변화폭을 보이고 있다. 따라서 이번 연구에서 선정한 세 종류의 매개변수 중에서 공력성능에 가장 큰 영향을 미치는 매개변수는 하우징 높이라고 할 수 있다. Fig.
- 위의 그래프 및 그림을 미루어 보았을 때, 하우징 높이의 설계는 OSRVM의 장착 위치 선정이나 목 높이 설계와는 달리 OSRVM을 독립적으로 해석하여 공력성능을 예측하여 전체 차량에 적용하여도 무리가 없음을 알 수 있다. OSRVM의 형상 매개변수 중 하우징 높이는 크기를 감소시킬수록 공력성능이 향상된다.
후속연구
- 본 연구는 OSRVM의 외부 형상 매개변수들로 장착 위치(Mounting location), 목 높이(Stalk height), 하우징 높이(Housing height)를 선정하였으며, 기타 베젤 폭(Bezel depth), 목 길이(Stalk length), 헤드평면 형상(Head planview shape) 등과 같은 외부 형상들의 변경에 따른 공력성능 변화에 대한 연구는 추후 진행될 예정이다.
- 실험 결과와 계산 결과의 비교 연구를 통해서 본 연구에서 사용할 FLUENT가 정확성 높은 유동해석 결과를 줄 수 있음을 확인하였으며, FLUENT를 이용하여 OSRVM의 매개변수 연구를 진행토록 한다.
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