[논문]화물트럭 형상 변화에 따른 공력특성에 관한 수치해석적 연구

지정선; 신보창; 우대천

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지정선 (부산대학교 기계공학과) , 신보창 (부산대학교 기계공학과) , 우대천 (부산대학교 기계공학과)

본 연구에서는 교육 및 연구를 위한 CFD 해석 프로그램인 EDISON_CFD 프로그램을 이용하여 화물 트럭의 후면부 형상변화에 따른 공력특성을 분석해보았다. 먼저 추가적인 부착물을 장착하지 않은 기본적인 형상의 화물트럭의 공력특성을 확인 후, 후면부에 여러 형상의 Boat tail(보트 테일)과 전면부에 Cap-roof fairing(캡루프 페어링)이 부착된 형상을 해석하여 트럭이 받는 항력 감소를 통해 최적형상을 찾아가는 연구를 수행하였다. Cap-roof fairing이 부착된 형상에서 $15^{\circ}$의 특성길이가 0.3인 Boat tail에서 가장 좋은 항력 감소 효과를 얻을 수 있었다. Cap-roof fairing의 경우 6%의 항력 계수 감소를 보였고, Boat tail에서 20%의 항력 계수 감소효과를 관찰할 수 있었다. Boat tail의 각도와 길이를 변수로 하여 여러 해석을 진행한 결과 최적화된 형상을 선정할 수 있었다.

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문제 정의

본 연구에서는 보편적인 화물 트럭을 기본 모델로 설정하고 형상에 여러 가지 변화를 주어 각 변화에 따라 나타나는 공력특성을 비교하는 해석을 진행하였다. Cap-roof fairing의 유무와 Boat tail의 각도, 길이에 따른 각각의 공력특성과 항력 계수를 산정하는 것을 목표로 하였다. edison에서 제공하는 프로그램이 해석에 대하여 Reynolds값을 취하고 특성 길이를 1로 두기 때문에 형상에 대해 트럭의 길이를 무차원화 시켜 세로 1, 가로3.
본 연구에서는 edison 프로그램을 이용하여 트럭 형상의 변화에 따른 공역학적 특성을 분석하고 항력 계수를 산정하여 트럭의 연비를 향상시킬 수 있는 모델을 선정하고자 한다.
본 연구에서는 보편적인 화물 트럭을 기본 모델로 설정하고 형상에 여러 가지 변화를 주어 각 변화에 따라 나타나는 공력특성을 비교하는 해석을 진행하였다. Cap-roof fairing의 유무와 Boat tail의 각도, 길이에 따른 각각의 공력특성과 항력 계수를 산정하는 것을 목표로 하였다.
Boat tail의 각도와 형상에 따라 9가지 케이스의 격자 모델과 트럭 상부 Cap-roof fairing의 유무에 따른 케이스를 생성하였다. 생성된 격자를 바탕으로 해석을 진행하여 항력 계수 변화를 관찰하고, 항력이 최소가 되려면 어떤 형상이 적합한지 연구를 진행하였다.
1에서는 Cab-roof fairing과 Boat tail을 적용한 차량이 기본 모델보다 항력이 감소하는 정도를 정량적으로 파악해 보았다. 이 절에서는 유동의 contour와 유선을 관찰하여 항력이 감소하게 하는 요소에 대해 고찰한다.

가설 설정

4km/h에 해당한다. Re값이 충분히 크기 때문에 풍속에 관한 영향은 미미하다고 가정하고 본 연구에서의 해석은 마하수 0.1로 제한한다. EDISON_CFD에서 제공하는 정렬격자 기반 2차원 압축성 유동 범용해석 SW(2D_Comp_P)를 이용하여 정상상태의 압축성 난류 유동 해석을 하였다.

제안 방법

3.1에서는 Cab-roof fairing과 Boat tail을 적용한 차량이 기본 모델보다 항력이 감소하는 정도를 정량적으로 파악해 보았다. 이 절에서는 유동의 contour와 유선을 관찰하여 항력이 감소하게 하는 요소에 대해 고찰한다.
Boat tail은 트럭과 이루는 각도 15°, 30°, 45°에서의 특성길이 0.1, 0.2, 0.3에 대한 9가지 케이스로 분류하여 해석을 진행 하였다.
격자 모델에 대해서는 트럭의 각 형상마다 격자를 새로 구성하였다. Boat tail의 각도와 형상에 따라 9가지 케이스의 격자 모델과 트럭 상부 Cap-roof fairing의 유무에 따른 케이스를 생성하였다. 생성된 격자를 바탕으로 해석을 진행하여 항력 계수 변화를 관찰하고, 항력이 최소가 되려면 어떤 형상이 적합한지 연구를 진행하였다.
1로 제한한다. EDISON_CFD에서 제공하는 정렬격자 기반 2차원 압축성 유동 범용해석 SW(2D_Comp_P)를 이용하여 정상상태의 압축성 난류 유동 해석을 하였다. 2D_Comp_P SW는 공간차분기법으로 ROE, RoeM, AUSM+등을 채택하고 있으며 시간차분기법으로는 Explicit Euler, 3rd—order TVD Runge-Kutta, LU-SGS등을 채택하고 있다.
계산의 수렴 속도 면에서 fluent가 좀 더 빠른 경향을 보였으나 최종적으로 얻어낸 속도 및 난류 운동에너지 contour와 항력계수는 큰 차이를 보이지 않았다. edison 프로그램을 이용한 해석 데이터와 설정 조건들이 연구를 진행하는데 있어 신뢰성이 있다고 판단되어 같은 조건하에 다른 형상에 대한 해석을 진행하였다.
Cap-roof fairing의 유무와 Boat tail의 각도, 길이에 따른 각각의 공력특성과 항력 계수를 산정하는 것을 목표로 하였다. edison에서 제공하는 프로그램이 해석에 대하여 Reynolds값을 취하고 특성 길이를 1로 두기 때문에 형상에 대해 트럭의 길이를 무차원화 시켜 세로 1, 가로3.5로 설정하였다. 2차원 해석의 경우 트럭 하부로 지나가는 유동을 잡아낼 수 없기 때문에 바퀴 형상을 제거하고 하부의 공간만큼 벽면에서 거리를 두었다.
격자 모델에 대해서는 트럭의 각 형상마다 격자를 새로 구성하였다. Boat tail의 각도와 형상에 따라 9가지 케이스의 격자 모델과 트럭 상부 Cap-roof fairing의 유무에 따른 케이스를 생성하였다.
격자는 EDISON_CFD에서 제공하는 e-MEGA 격자 생성프로그램을 이용하여 정렬격자를 생성하였다. 화물트럭 모델은 국내에서 보편적으로 볼 수 있는 5톤 화물트럭을 기본으로 하여 모델링을 진행하였다.
화물 트럭의 형상 변화로 나타나는 공력특성을 비교하고 분석하였다. 기본형상, Cap-roof fairing이 부착된 형상, Boat tail이 부착된 형상 등 크게 3가지로 나누어진 트럭 형상에서 유동은 각각의 특징을 가지고 있었는데 본 연구에서 관심 있게 관찰한 내용은 트럭 주변에서의 항력계수 변화와 유동의 성질을 설명해 주는 속도 및 난류 운동에너지 분포이다.
화물트럭 모델은 국내에서 보편적으로 볼 수 있는 5톤 화물트럭을 기본으로 하여 모델링을 진행하였다. 벽면에서의 경계조건을 원활히 수행하기 위해 격자 블록을 14개로 나누었고 화물트럭과 유동장의 경계에는 Viscous Adiabatic Wall을 적용하고 유동장의 입구와 출구에는 각각 Subsonic Inlet과 Subsonic Outlet을 적용 하였다. 유동장의 위쪽은 Far-Field, 아래쪽은 Viscous Adiabatic Wall을 주었다.
본 연구에서 계산 기법으로 AUSM+을 제한자로 Van Leer를 채택하고 충분한 수렴과 해석의 신뢰성 있는 데이터 확보를 위하여 100000회 반복 계산을 수행하고, 허용 오차를 0.00001로 설정하여 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 EDISON_CFD를 활용하여 화물 트럭의 공력 특성 및 외부 유동 현상을 비교 분석하였다. 외부 유동 현상을 보여주는 contour를 통해 형상에 따른 화물 트럭 후류에서의 공기 유동을 확인할 수 있었고 계산된 항력계수를 비교하여 연비 절감을 위한 트럭 형상을 선정할 수 있었다.
화물 트럭의 형상 변화로 나타나는 공력특성을 비교하고 분석하였다. 기본형상, Cap-roof fairing이 부착된 형상, Boat tail이 부착된 형상 등 크게 3가지로 나누어진 트럭 형상에서 유동은 각각의 특징을 가지고 있었는데 본 연구에서 관심 있게 관찰한 내용은 트럭 주변에서의 항력계수 변화와 유동의 성질을 설명해 주는 속도 및 난류 운동에너지 분포이다.

대상 데이터

본 연구에서는 EDISON_CFD를 활용하여 화물 트럭의 공력 특성 및 외부 유동 현상을 비교 분석하였다. 외부 유동 현상을 보여주는 contour를 통해 형상에 따른 화물 트럭 후류에서의 공기 유동을 확인할 수 있었고 계산된 항력계수를 비교하여 연비 절감을 위한 트럭 형상을 선정할 수 있었다. 해석을 통해 얻어낸 결과로 도출한 결론은 다음과 같다.
격자는 EDISON_CFD에서 제공하는 e-MEGA 격자 생성프로그램을 이용하여 정렬격자를 생성하였다. 화물트럭 모델은 국내에서 보편적으로 볼 수 있는 5톤 화물트럭을 기본으로 하여 모델링을 진행하였다. 벽면에서의 경계조건을 원활히 수행하기 위해 격자 블록을 14개로 나누었고 화물트럭과 유동장의 경계에는 Viscous Adiabatic Wall을 적용하고 유동장의 입구와 출구에는 각각 Subsonic Inlet과 Subsonic Outlet을 적용 하였다.

데이터처리

많은 케이스에 대한 해석에 앞서 기본 트럭 모델에 대해 eMEGA로 제작한 격자 파일을 에디슨 프로그램과 상용 프로그램인 fluent를 이용해 같은 조건하에서 결과 값을 비교 분석 하였다.

이론/모형

해석자의 지배방정식으로 Reynolds-Averaged Navier Stokes(RANS)를 사용하고 난류 모델은 Menter's k-ω Shear Stress Transport이다.

성능/효과

1. cab-roof fairing적용을 통해 6.0%의 항력 감소 효과를 불러올 수 있었다. 이는 트럭과 트레일러 사이 흐르는 유동 흐름에 저항을 줄여준 결과로 유선에서 볼 수 있듯이 유동에 정체된 부분이 없기 때문에 트럭 상부에서의 압력 변화가 작아지기 때문이다.
2. Boat tail 부착시 15°의 특성길이 0.3의 형상에서 가장 낮은 항력 계수를 얻을 수 있었다.
계산의 수렴 속도 면에서 fluent가 좀 더 빠른 경향을 보였으나 최종적으로 얻어낸 속도 및 난류 운동에너지 contour와 항력계수는 큰 차이를 보이지 않았다. edison 프로그램을 이용한 해석 데이터와 설정 조건들이 연구를 진행하는데 있어 신뢰성이 있다고 판단되어 같은 조건하에 다른 형상에 대한 해석을 진행하였다.
기본 형상이 트럭 후면에서의 실속이 크게 유발됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 요소는 압력차에 의해 발발하는 것으로 보이며 다른 모델에서 기본 모델보다 작은 항력계수를 관찰할 수 있는 원인이 바로 작은 압력차였음을 알 수 있다.
세기에서는 큰 차이를 관찰할 수 없었으나 Cab-roof fairing 모델에서 기존 모델들이 갖던 트럭 상부에서의 유동이 안정 되게 바뀌었음을 확인할 수 있다.

후속연구

3의 형상에서 가장 낮은 항력 계수를 얻을 수 있었다. 20%의 항력 저하 효과가 나타났는데, 해석한 추세로 보았을 때 10°~30°사이의 각도에서 다양한 특성길이의 추가적인 해석을 통해 더 나은 형상을 확보할 수 있을 것이라 기대한다.
Cab-roof fairing 적용 시 Cd값은 0.646으로 이는 기본 모델의 항력계수 값보다 작은 값으로 Cab-roof fairing과 Boat tail 함께 적용한다면 더 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.
이 중 캡루프 페어링(Cab-roof fairing)은 트럭의 상부에 설치되며 화물 컨테이너와 운전자가 탑승하는 트레일러 사이의 높이 차이를 줄이고 곡선 형상을 통해 공기 저항을 줄이는 역할을 하는데, 이미 대부분의 상용트럭에서 기본적인 사양이 되었다. 그리고 보트 테일(Boat tail)은 화물 컨테이너의 가장 뒤 쪽에 설치되어 공기저항을 감소시키는 역할을 하는데 이는 상대적으로 추가적인 연구가 필요한 부분으로 보인다.
격자 생성 시 geometry 변경에 따라 space를 매 번 수정해야 하는 점은 단점으로 보인다. 또한 형상 변경에 있어서 곡선 형상에 대한 모델링에 대한 추가적인 기능을 확보한다면더 유용하게 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

화물트럭에서 사용하는 부착물에는 어떤 것들이 있는가?

외부 형상의 변화란 여러 종류의 부착물을 통해 트럭 외부의 유동에 변화를 주는 것을 말한다. 현재 화물트럭에서 사용하는 부착물로는 캡루프 페어링(Cab-roof fairing), 보트 테일(Boat tail)등이 있다. 이 중 캡루프 페어링(Cab-roof fairing)은 트럭의 상부에 설치되며 화물 컨테이너와 운전자가 탑승하는 트레일러 사이의 높이 차이를 줄이고 곡선 형상을 통해 공기 저항을 줄이는 역할을 하는데, 이미 대부분의 상용트럭에서 기본적인 사양이 되었다.

캡루프 페어링은 트럭에서 어떤 역할을 하는가?

현재 화물트럭에서 사용하는 부착물로는 캡루프 페어링(Cab-roof fairing), 보트 테일(Boat tail)등이 있다. 이 중 캡루프 페어링(Cab-roof fairing)은 트럭의 상부에 설치되며 화물 컨테이너와 운전자가 탑승하는 트레일러 사이의 높이 차이를 줄이고 곡선 형상을 통해 공기 저항을 줄이는 역할을 하는데, 이미 대부분의 상용트럭에서 기본적인 사양이 되었다. 그리고 보트 테일(Boat tail)은 화물 컨테이너의 가장 뒤 쪽에 설치되어 공기저항을 감소시키는 역할을 하는데 이는 상대적으로 추가적인 연구가 필요한 부분으로 보인다.

cab-roof fairing적용으로 항력감소가 이뤄진 요인은 무엇이라 보는가?

0%의 항력 감소 효과를 불러올 수 있었다. 이는 트럭과 트레일러 사이 흐르는 유동 흐름에 저항을 줄여준 결과로 유선에서 볼 수 있듯이 유동에 정체된 부분이 없기 때문에 트럭 상부에서의 압력 변화가 작아지기 때문이다.

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