[논문]썬루프 디플렉터 각도에 따른 썬루프 개구부 주변 유동 특성 연구

이성원; 신성룡; 최의성; 이주완

doi:10.7776/ask.2018.37.5.285

썬루프 디플렉터 각도에 따른 썬루프 개구부 주변 유동 특성 연구
Analysis of flow characteristics around the sunroof opening variation with sunroof deflector angle 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.5, 2018년, pp.285 - 291

이성원 (현대자동차) , 신성룡 (현대자동차) , 최의성 (엑사코리아) , 이주완 (현대자동차)

초록
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본 연구에서는 차량에 장착되는 파노라마 썬루프 디플렉터의 각도에 따른 개구부 주변 유동 특성을 분석하고 공력소음에 미치는 영향을 확인하였다. 파노라마 썬루프 개방 후 주행 시 공력소음을 저감하기 위해 메쉬 디플렉터를 장착하는데, 후방향인 기존 메쉬 디플렉터 각도를 전방향으로 변경하였을 때 유동 변화와 공력소음 기여도를 분석하였다. 이를 위하여 CAT(Computer Aided Test)와 실차 풍동 평가를 진행하였으며, 전방경사형 디플렉터에서 기존 디플렉터 대비 원활한 유동의 흐름과 유동 방향의 상향으로 공력소음이 개선되는 것을 확인하였다. 전방경사형 디플렉터 적용 시 동등한 원가에서 공력소음을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, flow characteristics and wind noises around the sunroof opening are analyzed variation with panoramic sunroof deflector angle. A mesh deflector is attached to reduce wind noise while a car is driving with the panoramic sunroof opening. A new forward inclined type deflector was invented to improve wind noise. The effect of this new concept of mesh deflector on the open-panoramic flow characteristics and wind noises were studied with CAT (Computer Aided Test) and wind tunnel test, which shows the reduction of open-panoramic wind noises such as sunroof buffeting, sunroof booming, and turbulent noise. Therefore, the forward inclined type deflector can efficiently improve wind noise with the same production cost.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Backward inclined mesh deflector (a), forward inclined mesh deflector (b).
그림 Fig. 2. Noise peak (dB) of backward inclined type and forward inclined type at reference deflector height, CAT.
그림 Fig. 3. Noise peak (dB) of backward inclined type and forward inclined type at 1/2 deflector height, CAT.
그림 Fig. 4. The Z direction velocity of backward inclined mesh deflector (a) and forward inclined mesh deflector (b).
그림 Fig. 5. Streamline and flow velocity around deflectors in average flow, 1/2 height, CAT.
그림 Fig. 6. The location of velocity profile, 1/2height.
그림 Fig. 7. Velocity profile in front of the mesh, 1/2height, CAT.
그림 Fig. 8. Velocity profile at the rear of the mesh, 1/2height, CAT.
그림 Fig. 9. Velocity profile at the front-edge of the panorama sunroof opening, 1/2height, CAT.
그림 Fig. 10. Streamline and flow velocity around deflectors in average flow, reference height, CAT.
그림 Fig. 11. The location of velocity profile, reference height.
그림 Fig. 12. Velocity profile in front of the mesh, reference height, CAT [Fig. 11(a)].
그림 Fig. 13. Velocity profile at the rear of the mesh, reference height, CAT [Fig. 11(b)].
그림 Fig. 14. Velocity profile at the front-edge of the panorama sunroof opening, reference height, CAT [Fig. 11(c)].
그림 Fig. 15. Cabin noise Maximum SPL (dB) according to deflector height, HAWT.
그림 Fig. 16. Roof booming and turbulent noise, cabin noise (dBA), 130 km/h, HAWT.
표 Table. 1. Deflector height and angle at Hyundai Acoustic Wind Tunnel test.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 기존 높이에서는 두가지 디플렉터의 난류 소음을 비교 예측하기 위해 유동의 유속을 중점적으로 살펴 보았다.
본 연구에서 파노라마 썬루프에 전방경사형 디플렉터 장착 시 효과를 확인하기 위해 해석과 풍동 평가를 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 파노라마 썬루프의 드론소음, 루프 부밍, 썬루프 구조물 난류소음과 상충성능인 디플렉터 난류소음을 함께 만족시키기 위해 전방경사형 메쉬 단면 형상을 가지는 디플렉터를 제안한다. 현재 당사 모든 메쉬 디플렉터는 Fig.

제안 방법

LBM에서는 Eq. (1)과 같은 지배 방정식을 사용하며 공기 입자의 충돌 전후 과정을 모사하여 유동 해석을 수행한다.^[1]
Fig. 4와 같이 1/2 높이의 전방경사형 디플렉터가 후방경사형 대비 Z방향 성분이 커지는 이유를 확인하기 위해 평균유동장의 유선과 유속을 확인하였다.
난류소음을 자세히 분석하기 위해 실제 차량에 장착되는 디플렉터의 기존 높이에서 CAT 결과의 유속을 분석하였다.
다음으로 Fig. 16과 같이 두가지 디플렉터에서 높이를 5 mm 낮춘 경우에 대하여 130 km/h정속에서 실내음을 측정하고, 기존 높이의 후방경사형과 비교하였다.
두 가지 디플렉터의 성능 비교를 위해서 우선 1/2 높이 디플렉터 CAT 결과를 상세 분석하여 드론 소음의 영향을 살피고, 이후 기존 높이에서의 CAT 결과를 분석하여 난류 소음에의 영향을 보기로 한다.
이 CAT 기법은 메쉬형 디플렉터를 다공성 물질(porous media)로 가정하고 디플렉터 메쉬 표면 전후로 코브라 프로브를 활용하여 속도별 압력 손실 특성을 구하고 이를 다공성 물질에 적용하여 디플렉터 주위 유동을 모사하였다. 또한, CAT 기법 개발 당시 시험값과 비교를 통하여 검증하였으며, 메쉬 디플렉터에서 드론 소음이 개선되는 원리로 메쉬 디플렉터 통과 후의 유동 상승을 주 요인으로 추정하였다.^[2]
먼저 드론 소음을 평가하기 위해 정차상태에서 130 km/h까지 속도를 증가시키면서 실내음의 최고 음압을 측정하였다. 평가 결과 높이를 15 mm 하향한 디플렉터에서 후방경사형과 전방경사형 모두 Fig.
1(b) 와 같이 전방 경사 구조를 가진다. 본 연구에서 전방 경사형 디플렉터의 원리를 파악하기 위해 CAT(Computer Aided Test)를 수행하고, 실차에서 효과를 파악하기 위해 실차 무향 풍동 평가를 수행하였다. 풍동의 암소음은 100 km/h에서 54 dB이며, Cutoff주파수는 80 Hz이다.
풍동 평가는 실차 무향 풍동인 HAWT(Hyundai Acoustic Wind Tunnel)에서 당사 준중형 해치백 차량에서 파노라마 썬루프를 연 상태로 수행하였다. 실제 적용 가능한 디플렉터의 높이를 고려하여 기존의 후방경사형 디플렉터와 새로 고안된 전방경사형 디플렉터를 기존 높이, 5 mm 하향, 10 mm 하향, 15 mm 하향한 경우에 대하여 평가를 진행하였다. 평가 시 디플렉터의 높이과 각도는 Table 1과 같다.
본 연구에서는 2014년 당사에서 개발한 “디지털 차량 개발을 위한 파노라마 썬루프 바람소리 CAT법”을 활용하였다. 이 CAT 기법은 메쉬형 디플렉터를 다공성 물질(porous media)로 가정하고 디플렉터 메쉬 표면 전후로 코브라 프로브를 활용하여 속도별 압력 손실 특성을 구하고 이를 다공성 물질에 적용하여 디플렉터 주위 유동을 모사하였다. 또한, CAT 기법 개발 당시 시험값과 비교를 통하여 검증하였으며, 메쉬 디플렉터에서 드론 소음이 개선되는 원리로 메쉬 디플렉터 통과 후의 유동 상승을 주 요인으로 추정하였다.
따라서 전방경 사형 디플렉터가 후방경사형 대비 유속 역전 구간에서 발생하는 와류에 의한 유동 상승이 더 클 것으로 예상되며 후방의 썬루프 개구부가 유동에 노출되는 것을 더 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 보인다. 이러한 유동 상승이 루프 부밍과 썬루프 후방 개구부 난류소음에 미치는 영향을 확인하기 위해 실차 풍동 평가를 수행하였다.
전방경사형 디플렉터와 후방경사형의 바람소리 성능을비교하기 위해 풍동 평가를 수행하였다. 풍동 평가는 실차 무향 풍동인 HAWT(Hyundai Acoustic Wind Tunnel)에서 당사 준중형 해치백 차량에서 파노라마 썬루프를 연 상태로 수행하였다.
전방경사형 디플렉터의 효과를 확인하기 위해 상용프로그램인 Powerflow를 사용하여 유동 해석을 수행하였다. Powerflow는 LBM(Lattice Boltzmann Method) 를 사용하며 Navier Stokes Equation을 사용하는 일반적인 CFD(Computational Fluid Dynamics)와 차이가 있다.
해석 모델은 당사 준중형 해치백 차종으로 수행하였고, 디플렉터 높이는 기존 높이, 1/2높이에서 후방경사형(각도 -8˚), 전방경사형(각도 +8˚)으로 구분하여 각각 수행하였다. 해석 결과 Fig.

대상 데이터

풍동의 암소음은 100 km/h에서 54 dB이며, Cutoff주파수는 80 Hz이다. 또한 바람소리 성능이 우수한 전방경사형 디플렉터와 구조물에 대하여 특허(제안명칭: 가변형 선루프 디플렉터 구조, 출원번호: 1020170- 103246)를 출원하였다.
전방경사형 디플렉터와 후방경사형의 바람소리 성능을비교하기 위해 풍동 평가를 수행하였다. 풍동 평가는 실차 무향 풍동인 HAWT(Hyundai Acoustic Wind Tunnel)에서 당사 준중형 해치백 차량에서 파노라마 썬루프를 연 상태로 수행하였다. 실제 적용 가능한 디플렉터의 높이를 고려하여 기존의 후방경사형 디플렉터와 새로 고안된 전방경사형 디플렉터를 기존 높이, 5 mm 하향, 10 mm 하향, 15 mm 하향한 경우에 대하여 평가를 진행하였다.

이론/모형

Δt 와 Δt 는 공간과 시간 변화량이다. 또한 RNG(ReNormalization Group) 2-equation 모델 기반의 V-LES(Very-Large Eddy Simulation)를 사용하여 난류 유동장을 계산하였다.
본 연구에서는 2014년 당사에서 개발한 “디지털 차량 개발을 위한 파노라마 썬루프 바람소리 CAT법”을 활용하였다.

성능/효과

2와 같이 기존 높이에서 후방경사형과 전방경사형 모두 드론 소음이 고객 불만 수준 이하로 발생하였다. 1/2 높이에서는 Fig. 3과 같 이 전방경사형의 드론 소음이 후방경사형 대비 60 km/h에서 10 dB 개선되었으나, 두 경우 모두 드론 소음이 고객 불만 수준을 초과하는 것을 확인할 수 있다.
하지만 전방경사형 디플렉터에서 후방경사형 대비 유속 역전 구간에서 속도 차가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 전방경 사형 디플렉터가 후방경사형 대비 유속 역전 구간에서 발생하는 와류에 의한 유동 상승이 더 클 것으로 예상되며 후방의 썬루프 개구부가 유동에 노출되는 것을 더 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 보인다. 이러한 유동 상승이 루프 부밍과 썬루프 후방 개구부 난류소음에 미치는 영향을 확인하기 위해 실차 풍동 평가를 수행하였다.
8에서 메쉬 통과 후 속도 분포를 확인할 수 있다. 메쉬 통과 전 속도 분포와 유사하게 메쉬 통과 후에도 전방경사형 디플렉터에서 후방경사형 대비 하단부 유속이 더 높으며, 최대 유속이 발생한 높이 또한 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 최대 유속이 발생한 높이부터 디플렉터 바 높이까지 유속 분포의 역전 현상이 나타나며 이는 앞에서 유선을 통해 예측한 내용과 일치한다.
16 에서 확인할 수 있다. 앞에서의 풍동 평가 결과로부터 전방경사형 디플렉터가 후방경사형 디플렉터 대비 드론 소음은 동등 수준인 것을 확인하였고, 전방 경사형 디플렉터가 후방경사형 디플렉터 대비 5 mm 낮은 높이에서 루프 부밍은 개선되며 난류소음은 동등 수준임을 확인하였다.
6과 같은 위치에서 속도 분포를 확인하였다. 차량 절대 높이 기준으로 메쉬 디플렉터 하단 높이인 1.14 m부터 1.24 m까지 속도 분포를 확인하였다. Fig.
차량 주행 속도(~130 km/h)의 마하수를 고려하였을 때 디플렉터 전방과 썬루프 개구부 후방에서 발생하는 쌍극 타입의 Leading-edge 소음이 난류소음의 주된 원인으로 예상되며, 유속이 감소할수록 소음이 개선될 것을 예상할 수 있다.
파노라마 썬루프에 전방경사형 디플렉터 장착 시, 디플렉터의 높이를 하향할 수 있어 후방경사형 대비 디플렉터 난류소음에 유리하며, 디플렉터 높이 하향으로 인하여 예상되는 상충성능인 드론 소음, 루프 부밍, 난류소음을 모두 만족시킬 수 있어 파노라마 썬루프 차량의 공력소음을 저감할 수 있다.
해석 결과 후방경사형 디플렉터보다 전방경사형 디플렉터가 유동을 상향으로 유도하며, 이는 썬루프 구조물과 유동의 상호작용에 의한 소음을 저감할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디플렉 터의 문제점은 무엇인가?	파노라마 썬루프에 드론 소음, 루프 부밍, 후방 썬루프 개구부 난류 소음을 방지하기 위해서 최근에는 메쉬형 디플렉터가 널리 쓰인다. 하지만 이 디플렉 터는 외부 유동에 노출되어 썬루프 오픈 상태에서 고속 주행 시 때때로 고객이 불만할 수 있는 난류소음을 발생시킨다. 일반적으로 디플렉터의 높이가 상승할수록 드론 소음, 루프 부밍, 후방 썬루프 개구부 난류소음에 유리하며, 디플렉터 난류소음은 불리해진다.
	파노라마 썬루프 오픈 시 발생되는 소음은 어떻게 구분되는가?	파노라마 썬루프 오픈 시 발생되는 소음은 크게 세가지로 구분할 수 있다. 첫째는 유동 가진과 차체 음장 모드 사이의 헬름홀쯔 공진으로 발생하는 드론 소음, 둘째는 파노라마 썬루프 오픈 글라스 또는 루프가 외부 유동에 노출되어 발생하는 루프 부밍, 마지막으로 전방의 썬루프 디플렉터 혹은 후방의 썬루프 개구부가 유동에 노출되어 발생하는 난류소음이다. 파노라마 썬루프에 드론 소음, 루프 부밍, 후방 썬루프 개구부 난류 소음을 방지하기 위해서 최근에는 메쉬형 디플렉터가 널리 쓰인다.
	파노라마 썬루프 개방 후 주행 시 공력소음을 저감하기 위해 장착하는것은?	본 연구에서는 차량에 장착되는 파노라마 썬루프 디플렉터의 각도에 따른 개구부 주변 유동 특성을 분석하고 공력소음에 미치는 영향을 확인하였다. 파노라마 썬루프 개방 후 주행 시 공력소음을 저감하기 위해 메쉬 디플렉터를 장착하는데, 후방향인 기존 메쉬 디플렉터 각도를 전방향으로 변경하였을 때 유동 변화와 공력소음 기여도를 분석하였다. 이를 위하여 CAT(Computer Aided Test)와 실차 풍동 평가를 진행하였으며, 전방경사형 디플렉터에서 기존 디플렉터 대비 원활한 유동의 흐름과 유동 방향의 상향으로 공력소음이 개선되는 것을 확인하였다.

참고문헌 (3)

Y. Li, A. Jammalamadaka, P. Gopalakrishnan, R. Zhang, and H. Chen, "Computation of high subsonic and transonic flows by a Lattice Boltzmann Method," 54th AIAA Meeting (2016).
S. R. Shin, K. D. Ih, J. Cho, and M. S. Kim, "Development of virtual sunroof buffeting test process using DFSS approach," FISITA Paper F2010-C-196 (2010).
M. J. Lighthill, "On sound generated aerodynamically", Proc. the Royal Society, Series A, 211 (1952).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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