자동차의 공기저항 감소를 위한 최적설계 및 능동유동제어기법 연구

Abstract

본 연구에서는 형상최적화기법 및 능동유동제어기법을 적용하여 자동차가 고속으로 주행 시 발생하는 공기저항을 감소할 수 있는 방안을 제안하였다. 차량의 연비를 절감하는 방법에는 직접적으로 파워트레인 시스템의 효율을 개선하는 방법이 있지만, 여기에는 여러 가지 기술적 한계가 존재하고 많은 비용과 시간을 필요로 한다. 하지만 자동차가 고속 주행 시 발생되는 공기역학적인 저항을 줄여 연비를 개선하는 방법은 상대적으로 적은 비용과 시간으로도 큰 효과를 볼 수 있는 매우 효율적이고 경제적인 방법이라 할 수 있다. 자동차의 공기역학적 특성을 분석하고 시뮬레이션하기 위해 함수기반 형상구현 방법인 Vehicle Modeling Function(VMF)을 이용하고 ㈜현대자동차의 YF SONATA를 기반으로 삼차원 가상 자동차모델을 구현하였다. 이 모델을 이용하여 창공을 비행하는 항공기와는 달리 지면 위에서 회전하는 네 개의 바퀴를 장착하고 고속으로 움직이는 자동차의 공기역학적 특성에는 이동지면과 돌아가는 바퀴에 직접 영향을 받는 자동차 하부유동이 중요하다는 것을 증명하였다. 복잡한 자동차 후류를 제어하여 공기저감을 달성하기 위해 VMF로 구현한 자동차의 트렁크 형상과 관련된 변수를 이용하여 최적설계를 수행하여 기본형상에 비해 공기저항이 10.4%가 줄어든 형상을 도출하였다. 같은 방법을 실제 YF SONATA형상에 적용하여 약 5.6%의 공기저항저감을 이루는데 성공하였으며, 자동차의 트렁크형상이 자동차 후류의 유동패턴을 변화시켜 공력성능향상에 큰 영향을 미친다는 사실을 증명하였다. 하지만 자동차 디자이너의 미적 감각과 철학이 녹아 들어가 있는 외부형상 디자인을 단순히 공력성능향상을 위하여 변경한다는 것은 현실적으로 어렵다고 판단된다. 따라서 자동차의 외형은 변형시키지 않으면서 자동차의 후류패턴을 바꿀 수 있는 능동유동제어 방법으로서 blowing, suction, synthetic jet을 이차원 자동차 형상에 적용하여 공기저항 감소 기법의 타당성 테스트를 한 후 삼차원 자동차 트렁크 후방에 적용하였다. 하지만 이차원에서는 효과가 있던 방법이 복잡한 삼차원 유동으로 넘어가면서 공기저항 저감효과를 얻지 못하였다. 단지, blowing의 경우 외부 유동 속도의 약 1.8배 이상의 속도로 불어줘야 1.2%의 공기저항저감효과가 있음을 확인하였으나 이는 공기저항저감을 위해 추가적인 큰 에너지를 투입해야 하기 때문에 현실적으로 적용하기 힘든 기술임을 확인하였다. 마지막으로 형상 변화 기법과 능동유동제어 기법의 두 개념을 결합하여 고속 주행 시 효과적으로 자동차의 공력성능을 향상시킬 수 있는 능동형리어디퓨저 장치를 제안하였다. 주차 및 저속 주행 시에는 작동하지 않다가 공기저항이 중요해지는 고속 주행 시에만 주행 속도 혹은 엔진의 RPM을 측정하여 능동적으로 자동차 후방 하부로 나오는 이 장치를 통하여 VMF모델의 경우 주행속도 70km/h ~ 160km/h에서 평균 공기저항을 최대 7%까지 감소시켰으며, YF SONATA에 적용하여 주행속도 80km/h ~ 120km/h에서 평균 공기저항을 5.3% 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 고속 주행 시 디퓨저로 인한 네거티브 양력발생으로 바퀴의 접지력을 증가시켜 조종성 및 주행 안전성 향상에도 도움이 될 것으로 사료된다. 최종적으로 고속주행 시 자동차에 미치는 공기저항 저감이 실제적으로 자동차의 연비를 향상시키는데 도움이 된다는 사실을 증명하였다.

In this study, aerodynamic drag reduction methods using configuration optimization and active flow control are suggested for fast cruising automobile. For fuel efficiency improvement of automobile, developing more efficient powertrain system is the direct approach but several technological limitations exist and it also cost a lot of time and expense. However, fuel efficiency improvement through aerodynamic drag reduction is effective and economical technology which demands relatively low cost and time. To perform CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation and investigate aerodynamic characteristics of automobile, function based configuration development method Vehicle Modeling Function (VMF) was used to develop three dimensional virtual car model based on YF SONATA developed and produced by Hyundai Motors Company. Through CFD simulation with this model, the importance of underbody flow was proven which directly affected by the moving ground and the rotating wheels. Also, to reduce the aerodynamic drag by controlling the complex rear flow of the automobile, trunk shape variables of the VMF model were chosen and optimization technique was used to generate the aerodynamically optimized trunk configuration which reduced the aerodynamic drag 10.4% comparing to the baseline model. The same technique was applied to fast cruising YF SONATA and 5.6% of aerodynamic drag is reduced and the fact that the aerodynamic performance is sensitive to the rear body shape of automobile is proved. However, the external design of automobile is the result of designers aesthetic aspect and artistic philosophy that the external configuration cannot be changed simply for better aerodynamic performance. Therefore, active flow control technique such as blowing, suction and synthetic jet were introduced not to harm the external beauty of car design but to change the rear wake patterns. At first, two dimensional automobile configuration was adopted for feasibility test of drag reduction using active flow control and blowing, suction, synthetic jet were applied to the rear trunk of three dimensional automobile. Even though the active flow control was effective for drag reduction in two dimensional, no drag reduction effect appeared in complex three di-mensional flows. Only 1.2% of drag reduction was observed when intensity of 1.8 times of driving speed of blowing was applied but this is not practical technology for drag reduction because it needs additional large energy input. Finally, an actively translating rear diffuser device was suggested by combining the two concepts of configuration change and active flow control which can reduce the aerodynamic drag effectively. The device is hidden under the rear bumper in ordinary low driving speed condition but slips out backward actively under high-speed driving condition by measuring the driving speed or engine RPM. Using this device, the average aerodynamic drag reduced up to 7.0% with the VMF model in the speed range of 70km/h~160km/h and up to 5.2% with YF SONATA in the speed range of 80km/h~120km/h. Also, owing to generation of negative lift by the diffuser device, it is expected the driving stability in high speed condition is improved. At the end, it is verified the aerodynamic drag reduction practically contributes the fuel efficiency improvement of the automobile.