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An experimental study on the drag reduction on a three-dimensional model vehicle : 3차원 자동차 모델의 항력 감소에 관한 실험적 연구: 수동적 및 능동적 유동제어
passive and active flow controls

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Authors
김동리
Advisor
최해천
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공),2020. 2. 최해천.
Abstract
지상 운송체의 공기저항력을 줄이는 것은 관련 학계 및 산업계의 주요한 사안 중 하나였다. 그러므로, 지금까지 수동적 및 능동적 유동제어 장치를 이용하여 자동차 모델의 항력을 감소시키는 연구가 많이 이루어졌다. 기존 연구들에 사용된 유동제어장치들이 좋은 성능들을 보여주었지만, 간과할 수 없는 한계점들도 지니고 있다. 수동적 유동제어장치는 필연적으로 모델 표면에 고정된 부가장치를 설치해야 하거나 모델 표면을 변형시켜야 하며, 다양한 속도에 대해 성능이 적절하게 발휘되지 못할 수 있다. 반면에, 주로 분출/흡입 장치를 응용하는 능동적 유동제어장치는 보통 외부의 유체 흡입구/배출구가 필요하며, 심지어 다소 복잡한 구동장치가 필요하므로 실제 적용이 쉽지 않을 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 대체 수동적 및 능동적 유동제어장치로써 automatic moving deflector와 유전장벽방전 플라즈마 액추에이터를 각각 제1장, 제2장에 제안하였다.
제1장에서, 우리는 아메드 차체의 항력 감소를 위해서 자연에서 영감을 얻은 장치가 도입하였다. AMD(automatic moving deflector)로 명명된 이 장치는 새 날개의 윗겹 깃털의 움직임에서 영감을 받아 제작되었다: 다시 말하면, 높은 받음각에서 새 날개의 부압면에 큰 유동박리가 발생할 때 윗겹 깃털이 갑자기 올라가서 착지할 때 양력을 높여준다. AMD는 아메드 차체의 뒤 경사면에 적용되어 그곳에 발생하는 유동박리를 제어한다. 경사각은 아메드 차체의 항력계수가 가장 큰 25°로 설정하였다. 풍동실험이 아메드 차체의 높이(H) 및 자유유동 속도(U_∞)를 기준으로 한 레이놀즈수 Re_H = 1.0 × 10^5 − 3.8 × 10^5에서 수행되었다. 아메드 차체의 항력 측정을 통해 다양한 크기와 재질의 AMD가 시험 되었으며, 최대 19%의 항력 감소율을 보였다. 속도 및 표면압력 측정을 통해 경사면과 AMD 사이의 얇은 틈의 압력이 AMD 윗면의 압력보다 훨씬 높아질 때 AMD가 갑자기 들려 올라가기 시작한다는 것을 보였다. 우리는 또한 AMD가 작동하기 시작하는 임계 자유유동 유속을 예측하는 실험식을 유도하였다. 마지막으로, AMD에 의한 항력 감소는 주로 유동박리 지연과 경사면 양옆 가장자리에서 발생하는 유동방향 와류의 세기 억제에 따른 경사면의 압력 회복에 의한 것임을 보였다.
제2장에서, 우리는 자유유동 속도 U_∞ = 10 − 20 m/s에서 아메드 차체의 항력 감소를 위해서 와이어-플레이트 및 톱니형 유전장벽방전 플라즈마 액추에이터를 적용하였다. 와이어-플레이트 액추에이터의 경우, 노출전극이 지름 11 μm의 가는 와이어로 제작된 액추에이터가 아메드 차체의 경사면 앞쪽 모서리에 설치되었으며, 그것의 모델너비 방향 길이와 인가전압을 변화시켰다. 액추에이터에 의한 평균 유도 속도는 인가전압이 9 kV_p-p에서 최대 4.2 m/s까지 측정되었다. 액추에이터의 작동에 의해서, 항력이 U_∞ = 10 m/s에서 최대 10% 감소하였으며, 효율은 액추에이터의 모델너비 방향 길이에 따라서 최대 0.1 − 0.12이다. 본 액추에이터에 의한 항력 감소 및 효율은 종래의 플레이트-플레이트 유전장벽방전 플라즈마 액추에이터의 항력 감소 및 효율보다 높다. 표면압력 측정 및 입자영상유속계를 통해 경사면 위의 유동은 액추에이터의 모델너비 방향 길이에 의해 크게 영향을 받으며, 액추에이터에 의해 유도된 유동 방향 운동량은 경사면 앞쪽 모서리에서 발생하는 유동박리를 억제하고 경사면 및 수직면의 압력을 회복시켜 결과적으로 항력 감소로 이어진다는 것을 보였다. 게다가, 톱니형 노출 전극을 사용하면 U_∞ of 20 m/s에서 항력 감소율과 효율이 각각 최대 8.2%, 0.56까지 추가로 향상된다는 것을 보였다. 반면, 같은 U_∞에서 선형 와이어-플레이트 액추에이터에 의한 항력 감소율과 효율은 각각 최대 2.7%, 0.1이다. 톱니형 노출 전극을 사용한 플라즈마 액추에이터의 작동에 의해서, 경사면 위에 형성되는 전단층의 발달이 촉진되며 이는 경계층 내부의 혼합을 증대시킨다. 그 결과, 액추에이터에 의해 유도된 운동량이 박리된 경계층 내부에 효과적으로 공급되어 높은 U_∞에도 불구하고 경사면 앞쪽 모서리에서 발생하는 유동박리가 크게 억제되었다.
마지막으로, 제3장에서, 우리는 수동적(AMD) 및 능동적(와이어-플레이트 플라즈마 액추에이터) 유동제어장치에 의한 효과를 요약하였고 그 항력 감소 원리에 대한 비교분석을 제시하였다. 두 장치는 모두 경사면 위의 부 박리기포의 형성을 억제하여 그곳의 압력을 크게 회복시킨다. 하지만, 각 장치에 의해서 주 박리기포의 크기, 강도, 위치는 크게 달라지며, 그로 인해 각 장치에 의한 수직면의 압력 변화가 다르게 나타난다. AMD는 유동방향 와류의 세기를 억제하는 반면 플라즈마 액추에이터는 유동방향 와류에 영향을 거의 끼치지 못한다. 결과적으로, AMD의 경우 경사면의 압력 회복이 단독으로 항력 감소에 기여하며, 플라즈마 액추에이터의 경우 경사면과 수직면의 압력 회복이 모두 항력 감소에 기여한다.
Reducing the aerodynamic drag on a road vehicle has always been an important issue both in academia and industries. Therefore, many of studies on the drag reduction on a model vehicle have been conducted so far both by passive and active means. Although the flow control devices considered in the previous studies have shown remarkable performances, they have also possessed some limitations that cannot be overlooked. The passive devices inevitably require fixed appendages or even a shape modification of the vehicle model and may not perform well at various vehicle speeds. On the other hand, the active devices which mainly utilize blowing/suction devices may not be easily applicable in practice because they often require an external fluid source/sink and even a rather complicated apparatus for driving them. Therefore, in this dissertation, automatic moving deflector and dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuator are suggested as alternative passive and active flow control devices in part I and part II, respectively.
In part I, we introduce a bio-mimetic device for the reduction of the drag force on a three-dimensional model vehicle, the Ahmed body (Ahmed et al. 1984). The device, called AMD (automatic moving deflector), is designed inspired by the movement of secondary feathers on birds wing suction surface: i.e., secondary feathers pop up when massive separation occurs on birds wing suction surface at high angles of attack, which increases the lift force at landing. The AMD is applied to the rear slanted surface of the Ahmed body to control the flow separation there. The angle of the slanted surface considered is 25° at which the drag coefficient on the Ahmed body is highest. The wind tunnel experiment is conducted at Re_H = 1.0 × 10^5 − 3.8 × 10^5, based on the height of the Ahmed body (H) and the free-stream velocity (U_∞). Several AMDs of different sizes and materials are tested by measuring the drag force on the Ahmed body, and showed drag reductions up to 19%. The velocity and surface-pressure measurements show that AMD starts to pop up when the pressure in the thin gap between the slanted surface and AMD is much larger than that on the upper surface of AMD. We also derive an empirical formula that predicts the critical free-stream velocity at which AMD starts to operate. Finally, it is shown that the drag reduction by AMD is mainly attributed to a pressure recovery on the slanted surface by delaying the flow separation and suppressing the strength of the longitudinal vortices emanating from the lateral edges of the slanted surface.
In part II, we apply a wire-to-plate and sawtooth DBD plasma actuators to the Ahmed body for drag reduction at the free-stream velocities of U_∞ = 10 − 20 m/s. For the case of the wire-to-plate actuator, an actuator whose exposed electrode is made of a thin wire of 11 μm diameter is located at the front edge of the slanted surface of the Ahmed body, and its spanwise length and applied voltage are varied. The induced mean velocity by the actuator reaches up to about 4.2 m/s at the applied voltage of 9 kV_p-p. With actuation, the drag is reduced by the amount of maximum 10% at U_∞ = 10 m/s, and the efficiency is up to 0.1 − 0.12 depending on the spanwise length of the actuator, applied voltage, and free-stream velocity. The drag reduction and efficiency of the present wire-to-plate actuator are higher than those of a conventional plate-to-plate actuator. With surface-pressure and PIV measurements, it is shown that the flow above the slanted surface is significantly affected by the spanwise length of the actuator, and the streamwise momentum induced by the actuator suppresses the flow separation at the front edge of the slanted surface and recovers the pressure on the slanted and vertical base surfaces, resulting in drag reduction. Moreover, it is found that the drag reduction rate and efficiency at higher U_∞ of 20 m/s can be further enhanced up to 8.2% and 0.56, respectively, by employing a sawtooth-shaped exposed electrode, whereas those of the linear wire-to-plate actuator are up to 2.7% and 0.1, respectively, at the same U_∞. With the plasma actuator with a sawtooth-shaped exposed electrode, the development of the shear layer over the slanted surface is significantly accelerated, enhancing the mixing inside the boundary layer. As a result, the momentum induced by the actuator is effectively supplied into the separated boundary layer, leading to a significant suppression of the flow separation at the front edge of the slanted surface, despite of high U_∞.
Finally, in part III, we summarize the effect of the passive (AMD) and active (wire-to-plate plasma actuator) flow control devices and propose a comparative analysis of their mechanisms responsible for the drag reduction. Both devices suppress the formation of the secondary separation bubble on the slanted surface, leading to a significant pressure recovery there. On the other hand, by each device, the size, strength and location of the main separation bubbles are substantially different, for which the pressure change on the vertical base surface appears differently for each device. AMD suppresses the strength of the longitudinal vortices whereas the plasma actuator has little effect on them. Consequently, the pressure recovery on the slanted surface solely contributes to the drag reduction for the case of AMD, while the pressure recoveries on the slanted and vertical base surfaces both contribute to the drag reduction for the case of the plasma actuator.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/167497

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000159060
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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