CFD를 이용한 스포일러에 의한 자동차의 양력과 항력의 상관관계 연구

소개글

CFD를 이용한 스포일러에 의한 자동차의 양력과 항력의 상관관계 연구에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론

2. 수치해법
2.1. 지배방정식
2.2. Star_CD 수치해법
2.3. 격자생성

3. 연구결과 및 고찰
3.1. 각도와 속도에 따른 항력 및 양력분포
3.2. 압력분포

4. 결론

5. 참고문헌

본문내용

조건과 유동의 특성을 적용한다. 이후 SIMPLE해법 SIMPLE해법 : 연속방정식에 압력보정식을 만들어 조합시키는 수치해석 방법
을 통해 계산을 실시하고 데이터를 얻어오는 Post-Processing 과정을 거친다.
격자생성
모델링은 SolidWorks SolidWorks : 3차원 CAD 프로그램
를 통하여 2차원으로 하였다. 자동차는 실제 모델과 같은 크기로 모델링했다. 스포일러의 크기는 폭 13mm이고, 모양은 역 비행기 날개 모양으로 모델링하였다. 스포일러 장착 차량과 미 장착 차량으로 나누고 장착 차량은 스포일러의 각도를 10도부터 60도까지 10씩 증가시키며 모델링했다. 총 7개의 모델을 IGES파일로 저장한 후 Star_CD에서 불러와 격자를 생성했다.
격자는 크기가 작을수록 정확한 계산 결과를 얻을 수 있다. 하지만 너무 크기가 작게 격자가 생성되면 계산속도가 느리게 된다. Star_CD에서 2차원적 해석을 할 때 10만개의 격자가 적당하기 때문에 가로 200, 새로 500 으로 격자를 생성하였다. 초기 조건 설정은 공기의 속도를 80m/s와 40m/s로 주어 고속주행시와 일반주행시로 나누었다. 그림 1.은 SolidWorks를 통해 모델링한 자동차 모습이고 그림2.는 격자 생성후의 모습이다.
연구결과 및 고찰
각도와 속도에 따른 항력 및 양력분포
본 연구에서는 각도와 속도에 따른 항력과 양력의 상관관계를 연구 했다. 상대적으로 변화 비율을 알기 위해 스포일러를 장착하지 않은 자동차 모델을 기준으로 항력과 양력의 변화량을 그림3.과 그림4.에 나타 내었다.
항력이란 자동차 주행 중 반대방향으로 작용하는 힘으로 속도의 제곱에 비례한다. 그러므로 고속 주행시 이 힘은 더욱 증가하게 된다. 반면에 양력은 속도에 비례한다. 때문에 그림 3.과 그림 4.를 보면 속도가 증가함에 따라 항력의 변화폭이 양력보다 크게 됨을 알 수 있다. 이는 이론적 계산식을 만족하는 수치이다.
특이한 것은 항력은 20도 부근에서 항력이 최대로 감소되는 것을 알 수 있다. 이는 20도로 스포일러를 설계할 때 가장 큰 연비증가를 볼 수 있음을 나타낸다. 양력은 선형적으로 계속 감소하게 된다. 각도가 큰 스포일러일수록 안전성이 좋다는 뜻이다. 하지만 너무 큰 각도의 스포일러를 쓰게 되면 항력이 더욱 증가 하게 됨을 알 수 있다. 결국 고속 주행을 하는 경주용 자동차에는 40도 의 스포일러가 적당하다. 이때 항력은 많이 증가하지 않으면서 양력이 감소하여 안정성이 높아지기 때문이다. 반면 일반 자동차에 미적요소를 증가시키기 위한 스포일러는 20도가 적당하다. 20도일 때 항력이 최대로 감소하기 때문에 연비가 증가하게 된다.
압력분포
본 연구에서는 초기조건 1기압에 80m/s 일때의 자동차 표면 주위의 압력분포를 알아보았다.
압력계수는 를 사용하여 계산을 하였다.
그림 5. 그림 6. 은 압력계수를 사용하여 스포일러를 장착한 자동차와 미장창한 자동차를 비교하였다. 자동차의 앞과 중간까지는 비슷한 압력 분포를 보인다. 자동차의 앞쪽은 아랫방향으로 힘을 받고 있는 것을 볼 수 있다. 중간 지점은 정압을 나타내고 있다. 자동차의 뒷부분은 스포일러가 장착되지 않은 자동차는 양력이 생기고 스포일러가 장착된 자동차는 다운포스가 생기는 것을 볼 수 있다.
아래의 그림 7. 와 그림 8. 은 각각 스포일러가 미 장착된 자동차와 60도의 스포일러를 장착된 자동차의 유동에 의한 압력을 나타낸 것이다. 이를 통해 스포일러에 받는 압력이 자동차 후미를 눌러 양력을 감소시키는 것을 볼 수 있다.
결론
본 논문은 자동차 스포일러를 설계하기 위해 공기역학적인 시뮬레이션을 통해 스포일러에 의한 항력과 양력의 상관관계를 알아내는데 그 목적을 두어 연구되었다.
1) 스포일러를 부착하였을 경우 미부착시보다 차체의 뒤쪽에서 하강하는 유동과 상승하는 유동이 만나 자동차의 양력을 감소시켜 안전성을 높여준다.
2) 스포일러를 부착한 경우 저속일 때 보다는 고속에서 그 영향이 뚜렷하게 나타나고 이것은 자동차의 고속에서의 주행안전성을 증가시켜준다.
3) 스포일러의 각도 20도에서 항력이 가장 적은 값을 보여준다.
참고자료
명현국, 전산열유체공학, 서울: 문운당, 2004.
이봉래, 진원재, CFD를 이용한 자동차 주위의 수치해석적 유동 연구, 홍익대학교, 학위논문.
Alexandrou, Andreas N., 유체역학, 윤순현 역, 서울: 사이텍미디어, 2002.
Naver 백과사전,

키워드

CF,   스포일러,   자동차의 양력,   CFD를 이용한 스포일러