[논문]자동차의 주행 성능에 미치는 리어 디퓨저 크기의 영향

이교우

doi:10.5762/kais.2019.20.2.655

초록
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본 연구는 차량용 리어 디퓨저의 시작 위치에 따른 주행 성능 변화를 분석하고자 하였다. 이를 위해 CATIA 3D 설계 프로그램을 이용하여 상용 SUV 차량을 참고하여 차량을 모델링하고 뒤 타이어를 기준으로 300, 400, 500 mm 떨어진 위치부터 리어 디퓨저가 시작되도록 설계했다. 그리고 유동 해석 프로그램인 Fluent를 이용해 차량 주행속도가 60km/h, 100km/h, 140km/h 일 경우를 조건으로 하여 유동해석 후 양력과 항력의 변화를 분석하고 공기의 유선 변화를 확인했다. 해석 결과, 리어 디퓨저는 시작 위치에 상관없이 디퓨저가 없는 경우에 비해 양력과 항력을 감소시켰다. 이는 리어 디퓨저가 있을 경우 공기가 차량 하면부를 지나 후면부로 빠져나올 때 발생하는 박리 현상을 억제하여 와류 현상을 감소시키기 때문이다. 또한 본 연구에서는 SP 400의 조건일 때 양력이 가장 작았고 양력 감소 효과도 가장 좋았기 때문에 주행 중 타이어의 접지력을 최대로 확보할 수 있어서 이 경우를 최적의 조건으로 결정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the change in driving performance according to the starting position of the rear diffuser of a vehicle. To accomplish this, the CATIA 3D design program was used to model the vehicle with reference to a commercial SUV vehicle and design the rear diffuser to start from 300, 400, an...

This study examined the change in driving performance according to the starting position of the rear diffuser of a vehicle. To accomplish this, the CATIA 3D design program was used to model the vehicle with reference to a commercial SUV vehicle and design the rear diffuser to start from 300, 400, and 500 mm from the rear tire. The flow and drag change were analyzed and the change in air flow was confirmed using Fluent, a flow analysis program at a vehicle traveling speed of 60, 100, and 140 km/h. The rear diffuser reduced the lift and drag forces compared to no diffuser regardless of the starting position. This is because if there is a rear diffuser, it will reduce the vortex phenomenon by suppressing the flow separation that occurs when air is drawn out from the rear portion of the vehicle. In this study, the starting point SP 400 was determined to be the optimal condition because the lift force was the smallest at SP 400 and the lift reduction effect was the best.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. A half shape of a modeling car
표 Table 1. Dimensions of a real car and a modeling
그림 Fig. 2. A schematic showing the rear diffuser
그림 Fig. 3. A schematic showing volume meshes
그림 Fig. 4. Decrements of lift forces according to velocities
그림 Fig. 5. Decrements of drag forces according to velocities
표 Table 2. Lift forces according to velocities and starting points of rear diffuser
표 Table 3. Drag forces according to velocities and starting points of rear diffuser
그림 Fig. 6. Streamlines for the case of without rear diffuser
그림 Fig. 7. Streamlines on the rear part of the car for the cases of a) without rear diffuser, b) with rear diffuser at SP 500, c) at SP 400, and d) at SP 300

AI 본문요약
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문제 정의

앞선 연구들처럼 유동해석 프로그램을 이용하여 리어 디퓨저의 각도나 길이에 대한 연구는 이루어 졌으나 리어 디퓨저가 시작되는 위치에 대한 연구는 없다. 따라서 본 연구에서는 현재 시판 중인 차량을 대상으로 하여 리어 디퓨저의 유무 및 시작 위치에 따른 항력과 양력 변화를 알아보고자 하였다. 이를 위해 3D 모델링 프로그램인 CATIA V5R21을 사용하여 차량을 모델링하였고 이를 유동해석 프로그램인 ANSYS Fluent 17 이용하여 해석하고 고찰하였다.

제안 방법

이를 위해 CATIA 3D 설계 프로그램을 이용하여 상용 SUV 차량을 참고하여 차량을 모델링하고 뒤 타이어를 기준으로 300, 400, 500 mm 떨어진 위치부터 리어 디퓨저가 시작되도록 설계했다. 그리고 유동 해석 프로그램을 이용해 차량 주행속도가 60, 100, 140 km/h 일 경우를 조건으로 하여 양력과 항력의 변화를 분석하고 유선 변화를 통해서 다음과 같은 결론에 도달하였다.
따라서 본 연구에서는 현재 시판 중인 차량을 대상으로 하여 리어 디퓨저의 유무 및 시작 위치에 따른 항력과 양력 변화를 알아보고자 하였다. 이를 위해 3D 모델링 프로그램인 CATIA V5R21을 사용하여 차량을 모델링하였고 이를 유동해석 프로그램인 ANSYS Fluent 17 이용하여 해석하고 고찰하였다. ;
본 연구는 차량용 리어 디퓨저의 시작 위치에 따라 주행 성능 변화를 분석하고자 하였다. 이를 위해 CATIA 3D 설계 프로그램을 이용하여 상용 SUV 차량을 참고하여 차량을 모델링하고 뒤 타이어를 기준으로 300, 400, 500 mm 떨어진 위치부터 리어 디퓨저가 시작되도록 설계했다. 그리고 유동 해석 프로그램을 이용해 차량 주행속도가 60, 100, 140 km/h 일 경우를 조건으로 하여 양력과 항력의 변화를 분석하고 유선 변화를 통해서 다음과 같은 결론에 도달하였다.

대상 데이터

모델링 된 차량 주위를 흐르는 작동 유체는 상온 상태인 300 K의 공기이며 물성치는 Fluent에서 제공하는 기본 값을 사용하였다. 공기의 흐름을 위해 유체 구역은 차량을 덮도록 6000x3000x2000 mm³의 크기로 만들었다. 유동 해석 모델로는 k-e 난류 모델을 사용했고, 해석 중 열의 이동은 고려하지 않고 정상상태조건으로 해석했으며, 공기는 비압축성을 적용했다.
유동해석에 앞서 CATIA를 이용하여 해석하고자 하는 차량을 모델링 해주기 위해 앞에서 언급한대로 시판중인 차량의 제원을 참고했다. 시판 중인 차량들 중 SUV 차량을 선택했고 공개된 제원을 참고하여 유사하지만 간단하게 모델링했다. 모델링에 참고한 차량의 제원과 모델링 된 수치를 Table 1에 정리하였고, Fig.

이론/모형

공기의 흐름을 위해 유체 구역은 차량을 덮도록 6000x3000x2000 mm³의 크기로 만들었다. 유동 해석 모델로는 k-e 난류 모델을 사용했고, 해석 중 열의 이동은 고려하지 않고 정상상태조건으로 해석했으며, 공기는 비압축성을 적용했다.
유동 해석을 위해 상용 유동 해석 프로그램인 ANSYS Fluent를 사용했다. 모델링 된 차량 주위를 흐르는 작동 유체는 상온 상태인 300 K의 공기이며 물성치는 Fluent에서 제공하는 기본 값을 사용하였다.

성능/효과

1) 먼저 양력의 변화를 보면, 리어 디퓨저가 있는 모든 경우에서 양력이 감소한 것을 그래프를 통해 확인할 수 있었다. 최소 감소 효과는 SP 300일 때인데 주행속도가 60, 100, 140 km/h 일 때 각각 15.
2) 양력의 경우 최소 15.3 %의 감소 효과가 있었지만 항력의 경우 최대 10.5 %의 효과로 항력 감소 효과가 커 보이지 않는다. 또한 속도가 높아질수록 항력이 점점 커지기 때문에 고속에서 디퓨저에 따른 효과 변화가 커지는 것으로 보인다.
3) 차량 후면부에서의 도식화한 유선을 통해서 디퓨저가 있는 경우에는 없을 때보다 회전하는 유선의 양이 줄어든 것을 알 수 있다. 또한 SP 값이 커질수록 차량 후면의 중앙 쪽으로 모이는 유선의 양이 감소하는 것을 알 수 있었다.
4) 또한 본 연구에서는 SP 400의 조건일 때 양력이 가장 작았고 양력 감소 효과도 가장 좋았기 때문에 주행 중 타이어의 접지력을 최대로 확보할 수 있어서 최적의 조건으로 결정하였다.

후속연구

본 연구와 디퓨저 형상이 같지는 않지만 특정 속도와 디퓨저에서 경향 역전 현상이 나타나기 때문에 이 구간에서의 특징으로 생각된다. 따라서 이 구간에서 압력 변화나 유선 변화의 심도 있는 후속 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 외형을 변화시켜 주행 성능을 개선하는 방법은 무엇이 있나?	차량의 주행 성능을 개선하기 위해 엔진과 변속기 등 구동계의 성능 변화 뿐 아니라 차량의 외형 변화를 통해 주행 성능을 개선하기도 한다. 차량의 외형 개선은 전체적인 외형 자체를 유선형으로 만들어 공기 저항을 낮춰주기도 하지만 튜닝 부품을 이용하기도 한다. 이렇게 공기의 흐름 통제를 목적으로 제작된 차량의 튜닝 부품을 에어로 파츠(aero parts)라고 한다.
	에어로 파츠의 종류에는 무엇이 있나?	이렇게 공기의 흐름 통제를 목적으로 제작된 차량의 튜닝 부품을 에어로 파츠(aero parts)라고 한다. 에어로 파츠의 종류에는 차체가 위로 들리는 양력현상을 막기 위해 차량에 뒤쪽에 부착하는 날개 모양의 리어 스포일러(rear spoiler)와 차량 측면부로 흐르는 공기의 흐름과 하부에 흐르는 공기의 간섭을 제어해주는 사이드 스커트(side skirt), 주행 중 자동차 하부를 흐르는 공기의 유동을 원활히 해주는 리어 디퓨져(rear diffuser) 등이 있다.
	에어로 파츠란 무엇인가?	차량의 외형 개선은 전체적인 외형 자체를 유선형으로 만들어 공기 저항을 낮춰주기도 하지만 튜닝 부품을 이용하기도 한다. 이렇게 공기의 흐름 통제를 목적으로 제작된 차량의 튜닝 부품을 에어로 파츠(aero parts)라고 한다. 에어로 파츠의 종류에는 차체가 위로 들리는 양력현상을 막기 위해 차량에 뒤쪽에 부착하는 날개 모양의 리어 스포일러(rear spoiler)와 차량 측면부로 흐르는 공기의 흐름과 하부에 흐르는 공기의 간섭을 제어해주는 사이드 스커트(side skirt), 주행 중 자동차 하부를 흐르는 공기의 유동을 원활히 해주는 리어 디퓨져(rear diffuser) 등이 있다.

참고문헌 (6)

D. Mitra, "Effect of relative wind on notch back car with add-on parts", International Journal of Engineering Science and Technology, Vol.2, No.4, pp.472-476, 2010.
V. N. Kumar, K. L. Narayan, L. N. V. N. Rao, and Y. S. Ram, "Investigation of Drag and Lift Forces over the Profile of Car with Rearspoiler using CFD", International Journal of Advances in Scientific Research, Vol.1, No.9, pp.331-339, 2015.
X. X. Hu and E. T. T. Wong, "A Numerical Study On Rear-spoiler Of Passenger Vehicle", World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol.57, pp.636-641, 2011.
S. O. Kang, S. O. Jun, H. I. Park, K. S. Song, J. D. Kee, K. H. Kim and D. H. Lee, "ACTIVELY TRANSLATING A REAR DIFFUSER DEVICE FOR THE AERODYNAMIC DRAG REDUCTION OF A PASSENGER CAR", International Journal of Automotive Technology, Vol.13, No.4, pp.538-592, 2012.
K. S. Song, S. O. Kang, S. O. Jun, H. I. Park, J. D. Kee, K. H. Kim and D. H. Lee, "Effects on Aerodynamic Drag Reduction of a Passenger Car by Rear Body Shape Modifications", Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol.19, No.4, pp.137-145, 2011.
C. Lai, Y. Kohama, S. Obayashi and S. Jeong, "Experimental and Numerical Investigations on the Influence of Vehicle Rear Diffuser Angle on Aerodynamic Drag and Wake Structure", International Journal of Automotive Engineering, Vol.2, No.2, pp.47-53, 2011.

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