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문제 정의
- 본 연구에서는 우리나라에서 가장 많이 운행되고 있는 5톤 트럭의 항력을 저감시키기 위하여 기본 차체에 다양한 형상의 사이드 스커트와 보트 테일, 캡루프 페어링을 장착하고 이들의 항력감소 효과를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 우리나라에서 가장 많이 사용하는 화물자동차인 5톤 트럭을 대상으로, 차체에 사이드 스커트, 보트 테일, 캡루프 페어링과 같은 부가장치를 차체에 설치하여 화물차의 상단부에 걸리는 형상저항(pressure form drag), 차체 하부에서 발생하는 공기저항, 그리고 후미부에서 발생하는 유동박리에 기인한 공기저항을 제어함으로써 화물차의 공력특성 변화를 연구하였다. 이와 같은 공기 역학적인 해석을 통해 화물차의 항력감소 메커니즘을 밝히고 저저항 운송체의 공력 설계기술을 개발하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 사이드 스커트의 형상 및 각도, 보트 테일의 길이와 각도 등 다양한 실험변수를 변화시키면서 화물차에 걸리는 공력계수(CD)값을 측정하고, 화물차 상단부 및 후미부 주위 유동 변화를 가시화하여 유동 구조를 분석하였다.
- 지금까지 여러 가지 다른 조건하에서 사이드 스커트와 보트 테일이 5톤 트럭의 항력저감에 미치는 효과 연구하였다. 이들 부착물들은 독립적으로 부착하는 것이 가능하므로 이들을 모두 함께 적용할 때 그 효과가 어떻게 변화하는지를 분석하였다.
제안 방법
- 2는 설계 변수를 사이드 스커트의 도식화한 것으로, Fig.2 (a)는 일반적인 평평한 사이드 스커트로 바퀴 타이어의 흙받이 부분의 높이에 맞게 제작하였다. 이때 사이드 스커트의 높이(H)에 따라 S, L형으로 구분하였다.
- (b)는 타이어 부근에서 꺾인 플랩(angled flap)을 가지는 사이드 스커트를 도식화한 것으로 차체 하부를 지나는 공기 흐름이 타이어와 충돌하지 않도록 하기 위해 타이어와 가까운 위치에서 사이드 스커트를 차체 안쪽으로 들임각(δ)를 가지도록 꺾었는데, 이 들임각을 15°, 30°, 45°로 변화시키면서 실험하였다.
- (c)는 경사진 플랩을 장착하여 차량 하부 구조물들과 충돌하여 지나가는 공기흐름에 기인한 항력을 저감시키는 접이식 사이드 스커트(folding side skirt)로 차체 하부 중앙 쪽으로 일정 각도(θ)로 경사지게 설치하고 경사각을 30°, 45°, 60°와 차축까지 연결한 경우(61.2°)로 변화시키면서 실험하였다.
- 5) 유동가시화 실험을 통해 차체 모형 주위의 유동구조을 관찰함으로써 공기저항의 발생 원인과 함께 부착물들의 항력저감 효과를 정성적으로 분석 하였다.
- 본 연구에서는 독일항공우주연구청(DLR) Braunschweig 분소에서 공력 측정용으로 제작한 KME3, 7 -component 분력계를 이용하여 화물차체에 걸리는 항력을 측정하였다. KME3로부터 나오는 7개의 스트레인 게이지 신호로부터 8개의 전압 증폭기 (PRE7600MX, Preston)를 통해 디지털 전압계(HP34410A)로 입력되고 이를 PC로 전송하여 자체 calibration matrix를 이용하여 각 성분의 힘과 모멘트를 측정하였다. 주유동 방향 힘의 항력 측정범위는 FX = ±500N이고 분해능은 0.
- 공기저항 저감 장치를 장착한 트럭 주위의 유체 흐름을 관찰하고 이를 통해 항력저감 효과와 관련 유동구조를 정성적으로 파악하기 위하여 차체 주위 유동을 가시화하였다. Fig.
- 공기저항용 부가장치들을 장착하지 않은 기본 차체를 대상으로 풍속을 10~55m/s 영역에서 변화시켜 가면서 트럭 모형에 가해지는 항력(Fx)을 측정하고, 항력계수를 구하였다(Fig.4). 측정 결과, 5톤 트럭에 가해지는 항력은 풍속이 증가함에 따라 속도의 제곱에 비례하여 증가함 확인하였다.
- 기존의 실험적 연구 중에서 캐나다 National Research Council에서 진행한 프로그램이 가장 대표적인데, 실차를 이용하여 공기저항 저감장치를 부착한 후 항력 및 연간 연료 소비 감소량을 조사하여 실험적 데이터를 축적하였다 (1,6). 그러나 주행 조건 및 국내에서 주로 운행하는 화물차와 형상이 다르기 때문에 직접적인 비교 적용이 어렵다는 단점이 있다.
- 보트 테일은 Fig.3에 나타낸 것처럼 상판 3개의 길이(L)과 컨테이너 후미부에 부착되는 각도 (ω)를 설계변수로 변화시키면서 항력을 측정하고 후류 유동의 변화를 관찰하였다.
- 25%로 운송체 공력 실험에 적합한 풍동이다. 본 실험에 사용된 실험 모델은 국내에서 가장 많이 운행되고 있는 H사의 5톤 트럭을 실측을 통한 역설계 방식으로 3D 모델링을 한 후, 이를 풍동 시험부의 폐색율(blockage ratio) 기준에 맞추어 1/6 스케일 축소 모형으로 제작하였다(9). 사용되어진 실험 모델의 치수와 모형사진은 Fig.
- 차체에 걸리는 힘과 모멘트를 측정하기 위해서는 차체에 작용하는 풍하중을 정밀하게 측정하여야 한다. 본 연구에서는 독일항공우주연구청(DLR) Braunschweig 분소에서 공력 측정용으로 제작한 KME3, 7 -component 분력계를 이용하여 화물차체에 걸리는 항력을 측정하였다. KME3로부터 나오는 7개의 스트레인 게이지 신호로부터 8개의 전압 증폭기 (PRE7600MX, Preston)를 통해 디지털 전압계(HP34410A)로 입력되고 이를 PC로 전송하여 자체 calibration matrix를 이용하여 각 성분의 힘과 모멘트를 측정하였다.
- 본 연구에서는 우리나라에서 가장 많이 사용하는 화물자동차인 5톤 트럭을 대상으로, 차체에 사이드 스커트, 보트 테일, 캡루프 페어링과 같은 부가장치를 차체에 설치하여 화물차의 상단부에 걸리는 형상저항(pressure form drag), 차체 하부에서 발생하는 공기저항, 그리고 후미부에서 발생하는 유동박리에 기인한 공기저항을 제어함으로써 화물차의 공력특성 변화를 연구하였다. 이와 같은 공기 역학적인 해석을 통해 화물차의 항력감소 메커니즘을 밝히고 저저항 운송체의 공력 설계기술을 개발하고자 한다.
- 지금까지 여러 가지 다른 조건하에서 사이드 스커트와 보트 테일이 5톤 트럭의 항력저감에 미치는 효과 연구하였다. 이들 부착물들은 독립적으로 부착하는 것이 가능하므로 이들을 모두 함께 적용할 때 그 효과가 어떻게 변화하는지를 분석하였다.
- 이와 같은 공기 역학적인 해석을 통해 화물차의 항력감소 메커니즘을 밝히고 저저항 운송체의 공력 설계기술을 개발하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 사이드 스커트의 형상 및 각도, 보트 테일의 길이와 각도 등 다양한 실험변수를 변화시키면서 화물차에 걸리는 공력계수(CD)값을 측정하고, 화물차 상단부 및 후미부 주위 유동 변화를 가시화하여 유동 구조를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 POSTECH 아음속 풍동은 폐쇄형(closed circuit)으로 시험부의 높이는 1.5m, 폭 1.8m, 길이 4.3m이고, 최대풍속은 75m/s이며 난류강도(turbulence intensity)는 0.2%, 균일도 (flow uniformity)는 0.25%로 운송체 공력 실험에 적합한 풍동이다. 본 실험에 사용된 실험 모델은 국내에서 가장 많이 운행되고 있는 H사의 5톤 트럭을 실측을 통한 역설계 방식으로 3D 모델링을 한 후, 이를 풍동 시험부의 폐색율(blockage ratio) 기준에 맞추어 1/6 스케일 축소 모형으로 제작하였다(9).
- 유동가시화 실험은 U0=5m/s에서 수행하였고, 독일 SAFEX 사의 2010 Fog generator에 자체 제작한 노즐을 사용하였으며, 제논(Xe) 램프를 광원으로 사용하고 Olympus사의 OM-D E M1 카메라로 촬영하였다.
데이터처리
- 3X106로 임계 레이놀즈수 영역 (~105)을 벗어나 풍속의 영향이 거의 없음을 알 수 있다. 이러한 결과를 토대로, 이후 다른 실험변수들에 대한 실험에서는 풍속을 25m/s로 고정하고 3회 반복 측정한 후 통계 처리한 평균값을 사용하였다.
성능/효과
- 8 (a)에서 볼 수 있듯이 캡루프 페어링이 장착되지 않은 경우 운전석이 위치한 트렉터 상단에서 박리(separation) 현상이 크게 일어나며 흐름의 일부가 컨테이너 상단에 부딪혀 압력 저항을 유발함을 보여주고 있다. 반면에 캡루프 페어링이 장착된 경우(b) 차체 상부에서 발생하는 유동 박리현상이 완화되어 유선형의 공기 흐름이 나타났다. 이것으로부터 차체 상단부에서 발생한 압력저항이 감소되어짐을 가시적으로 확인하였다.
- 보트 테일을 장착하지 않은 모델의 경우(c) 차량 후미부의 급격한 형상 변화로 인하여 차체 후방에 낮은 압력값을 가지는 큰 규모(large-scale)의 와류가 형성되어 공기 저항이 크게 발생되어짐을 확인하였다. 보트 테일을 장착한 경우(d)에는 보트 테일을 따라 흐르는 유동이 유동박리를 늦추거나 후류 영역을 감소시켜 공기저항을 저감시키는 것을 가시적으로 확인하였다.
- 2) 표준형 사이드 스커트를 장착한 경우 항력 계수 저감 효과는 4.92%이며, 꺾인 플랩(angled flap)을 가진 경우 들임각(δ)에 따라 항력계수가 변화하였으며 δ1 = 15°, δ2 = 0°, δ3 = 15°인 조건에서 5.7%의 항력계수 저감 효과를 보였다.
- 3) 보트 테일의 경우 길이 보다는 각도에 큰 영향을 받으며 ω = 80° 일 때 4.24%의 항력계수 저감효과를 보였다.
- 4) 각각의 유동제어용 부착물들을 조합적으로 적용해본 결과 꺾인 플랩 사이드 스커트의 경우 다른 장치들이 서로 간섭하지 않고 독립적으로 항력저감 효과를 발휘하였다. 반면에 접이식 사이드 스커트의 경우 보트 테일과 함께 작용시 2.
- 701로 기존 연구결과와 잘 부합하였다. 그리고 25m/s (=90km/h) 이상인 조건에서는 풍속에 상관없이 거의 일정한 항력계수 값을 가짐을 확인하였다. 이것은 본 실험영역의 Re값이 1.
- 6% 저감되는 효과를 보였다. 그리고 차체 하부에서 발달하는 와류의 영향을 줄이기 위해 하부 유동을 제어하는 스포일러 형상의 구조물을 후미부 아랫쪽에 설치한 결과 6.0%의 항력계수 저감 효과를 보였다. 이 두 가지 부가장치를 모두 장착한 경우, 항력계수는 0.
- 다양한 각도에 대한 실험을 통해 ω = 80°에서 항력 계수가 최대로 저감 되었는데, 보트 테일이 장착되지 않은 기본 모델에 비해 항력계수가 4.24% 감소하였다.
- 마지막으로 기존 보트 테일이 부착된 차량의 후미부 단차를 메워주는 장치(gap repair)의 유무에 따른 다른 부착물과의 상호작용을 조사해본 결과, 꺾인 플랩을 가지는 사이드 스커트와 접이식 사이드 스커트 모두 각각의 항력계수 저감효과를 합한것보다 적은 값을 가지는 것으로 나타났다. 이것은 캡루프 페어링과 갭 리페어 간에 사이의 상관관계에 기인한 것으로 갭 리페어를 부착하지 않은 경우 캡루프 페어링 장착으로 형성된 유선형 유동이 상대적으로 빨리 박리되어 갭 리페어 효과가 사라지기 때문으로 해석된다.
- 4) 각각의 유동제어용 부착물들을 조합적으로 적용해본 결과 꺾인 플랩 사이드 스커트의 경우 다른 장치들이 서로 간섭하지 않고 독립적으로 항력저감 효과를 발휘하였다. 반면에 접이식 사이드 스커트의 경우 보트 테일과 함께 작용시 2.1%의 추가적인 항력감소효과가 있어 기본 모델 대비 최대 36.8%의 항력 저감 효과를 얻을 수 있었다.
- 01N 이하이다. 본 실험에 앞서 보정 실험을 통해 3축성분의 힘과 3축성분의 모멘트들이 측정오차 0.2% 이내로 측정됨을 확인하였다.
- 이것은 각각의 부착물들이 독립적으로 작용하며 거의 간섭하지 않는 것을 나타낸다. 세 가지 부착물 중에서 캡루프 페어링이 전체 항력계수 저감 효과 34.88% 중 63% 이상을 차지하여 가장 큰 역할을 하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 차체 상단부에 걸리는 항력이 가장 공기저항의 주요 요인임을 알 수 있다.
- 실험 결과, δ1 = 15°, δ2 = 0°, δ3 = 15° 조합의 경우, 항력 계수(CD)값이 0.662로, 기본 모델에 비해 5.7%로 감소하였다.
- 6에 나타내었다. 실험 결과, 보트 테일의 길이 보다는 각도 변화에 따라 큰 차이를 보였다. 접힌 각도 ω=55°인 경우 오히려 유동을 교란시켜 항력이 증가하였으며 각도(ω)를 증가시킴에 따라 항력 저감 효과가 개선되었다.
- 0%의 항력계수 저감 효과를 보였다. 이 두 가지 부가장치를 모두 장착한 경우, 항력계수는 0.652로 기본 모델에 비해 총 7.16%의 항력계수 저감 효과를 얻었다.
- 기존의 보트 테일의 경우 차체 후미부와 약간의 단차가 있어 유동박리가 보트 테일보다 앞쪽에 서 형성되어 효과적이지 못하다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 이 단차를 메우는 구조물(gap repair)를 장착한 결과 항력계수가 6.6% 저감되는 효과를 보였다. 그리고 차체 하부에서 발달하는 와류의 영향을 줄이기 위해 하부 유동을 제어하는 스포일러 형상의 구조물을 후미부 아랫쪽에 설치한 결과 6.
- 접이식 사이드 스커트와 보트 테일을 함께 부착한 경우에는 특이하게도 각각의 실험결과의 합보다 항력계수 저감효과가 2.1% 크게 나타났다. 이것은 접이식 사이드 스커트의 경우, 바퀴와 바퀴 사이의 공기 저항뿐만 아니라 차체 하부 유동을 제어하는 효과도 있기 때문에 차체 하부 유동이 컨테이너 후미부의 유동에도 영향을 미쳐 시너지 효과를 보이는 것으로 생각된다.
- 접이식 사이드 스커트의 경우 접힘 각도θ의 효과는 크지 않았으며, 약 5%의 항력계수 저감효과를 보였다.
- 24%의 항력계수 저감효과를 보였다. 추가적으로 차체 후미 상단부 단차를 막아주는 장치와 하부 유동을 제어하는 스포일러 형상의 장치를 추가적으로 장착한 경우 총 7.16%의 항력계수 저감 효과를 얻었다.
- 4). 측정 결과, 5톤 트럭에 가해지는 항력은 풍속이 증가함에 따라 속도의 제곱에 비례하여 증가함 확인하였다. 항력계수는 0.
- 5에 나타내었다. 표준형 사이드 스커트(S형)의 경우는 기본 모델에 비해 항력계수가4.93% 저감되며, 스커트의 폭이 큰 L형의 경우 항력감소는 5.2%로 S형에 비해 공기저항 저감 효과가 크게 나타났다. 이것은 사이드 스커트 장착시 차량 하부에서 발생하는 공기 저항 및 타이어와 스커트 사이의 유동을 막아주어 항력이 저감되는 것으로 해석된다.
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