Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 44-122 Applied Fluid Mechanics 2 nd Week Vehicle Aerodynamics.

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1 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 44-122 Applied Fluid Mechanics 2 nd Week Vehicle Aerodynamics

2 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 자동차 공기역학의 중요성 - 주행안정성 - 항력감소로 인한 연비향상 비행기와의 차이점 - 유동의 박리를 수반 - 지면과 가까움

3 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 항력계수 측정방법 - 도로상의 주행 : Coast-Down Test 설계단계에서는 측정 불가능 - 풍동에 의한 측정 자동차용 대형 아음속 풍동 필요 - CFD Simulation 실험 대체 가능 격자생성, 해의 정확성 등 문제

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26 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory -Rear wing with gurney(1) -Underbody almost completely covered(2) -Diffuser channels separated by strakes(3) -Wooden bars at each side of the vehicle to reduce the underbody flow leakage(4) -Wheel-house ventilation(5) -Variable device using a set of flaps to shut the inlet of the engine cooling duct(6)\ -Brake cooling duct(7) -front splitter(8)

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41 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 트럭 공기 역학 - 대형 수송 차량 (HGVs, Heavy goods vehicles) 은 대형 화물의 장거리 수송을 위하여 설계 - 화물 수송 과정 중 상당량의 에너지 소비  항력은 연비에 직결 HGVs(Heavy Goods Vehicles)

42 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 항력계수를 줄이기 위하여 대형 수송 차량에 다양한 종류의 항력저감장치 개발 항력 저감 장치의 종류 Examples of truck aerodynamic fairings and example of devices

43 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory Cap deflector - Cab deflector 는 트럭 운전석 상단에 설치하여 운전석과 화물간 높이 차이로 인한 항력 발생 최 소화 Correlation for Cd and the cap deflector height(left) and simulation result of velocity magnitude(right)

44 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - Tear-drop 형상으로 전체적인 트럭 형상을 유선형으로 만들어 항력 감소 Tear-drop shape Teardrop shape to optimize air-flow and minimize turbulence and truck model in wind tunnel

45 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - Boat-tail plate 는 트럭 뒤쪽에서 형성되는 후류를 저감시켜 항력 감소 Boat-tail plate Basic data for anti-mud adhesion and simulation result of vortex strake device (VSD)

46 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 후류를 감소시키기 시키기 위하여 트럭 후미 형상 최적화에 대한 연구 수행 The influence of backlight angle

47 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 차량 간 상호작용 - 차량 교차 운행 시 상호 작용에 의하여 차량 주변에 형성된 유동장 간섭 Pressure iso-surfaces from top view 차량 교차 운행

48 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 차량 간 상호작용에 의하여 간섭된 유동장은 차량 운행에 영향 Velocity magnitude iso-surface of preceding automobile

49 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 앞차의 바로 뒤를 달리는 (Tailgating) 운행에 의하여 후미 차량의 공기 저항이 감소 - 앞차가 후미 차량의 차폐물 역할을 함으로써 항력 저감 효과 꼬리 물기 (Tailgating) 운행 Sketch of the flow over two cars, separated by a distance dx

50 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 전, 후방 차량 모두 군집 운행으로 인하여 전방 / 후방 차량의 압력 분포가 변화하게 되어 두대의 차량에서 모두 항력 저감 효과 확인 - 차량 운행에는 지면과의 마찰로 인한 마찰력 및 공기 저항으로 인한 항력 등을 극복해야 하며, 이로 인하여 연료 소모율이 결정, 이와 같이 군집 운행에 따라 운행 차량의 항력 계수 감소는 차 량의 연비 향상 효과 Lift and drag coefficients for two cars separated by a distance dx

51 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 꼬리물기 (Tailgating) 현상에 대하여 실 차량 실험 수행을 통한 항력계수 저감 효과 확인 Drag coefficient ratios for a full-scale two car platoon

52 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory Two truck platoon maneuver and drag reducing effect with various body combinations  단일 차량 운행  군집 (2 대 ) 운행  단일 차량 운행  군집 (2 대 ) 운행 차량 모델 I (Blunt body vehicles) 차량 모델 II (Rounded body vehicles) - 상단의 붉은색 박스는 단일 차량 운행과 군집 (2 대 ) 운행 시 각 차량의 항력계수를 의미하며, 단 일 운행일 경우 0.94 의 항력 계수가 군집 운행 시 전방차량은 0.84, 후방 차량은 0.19 로 감소 - 하단의 초록색 박스는 차량의 형상을 변화시킨 다른 케이스에 대한 항력계수 결과이며, 군집 운 행시 두 차량 모두 항력 감소 효과 확인

53 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory Relationship between changes in drag and changes in fuel consumption - 차량의 군집운행으로 인한 항력의 감소는 위의 관계식과 같이 연비향상 효과 보임

54 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 군집 운행 - 철새의 편대 비행 현상  항력을 줄여 에너지 소비 최소화 Formation of the migratory birds

55 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 항력을 최소화 할 수 있는 간격을 유지하여 차량 운행 - 도로의 효율적인 이용, 항력 저감 및 안성성 증대 군집 운행의 개념 Illustration of vehicle platooning concept(left) and air streamlines for platooned vehicles(right)

56 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 군집 운행 형태 - 효율적인 항력 감소를 위하여 다양한 타입의 군집 운행 형태에 대한 연구 수행 Types of the vehicle platooning

57 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 군집 운행 연구 (1) – 풍동 실험 - 차량 간격에 따른 항력 감소 효과에 대한 연구 Transient aerodynamics of vehicle platoons during in-line oscillations

58 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 모형 실험을 통하여 군집 운행으로 인한 차량의 항력 저감 효과 및 운행 안정성 파악 Aerodynamic Forces Experienced By a 3-Vehicle Platoon in a Crosswind

59 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory 군집 운행 연구 (2) – 실차 실험 - 실제 차량 실험을 통하여 군집 운행으로 인한 차량의 항력 저감에 대한 연구 Quantifying Platoon Fuel Savings: 1999 Field Experiments

60 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory Continuity equation Momentum equation Energy Equation Discretization ExperimentCFD ProcessSimulation 군집 운행 연구 (3) – CFD 해석

61 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory - 정확한 특성 예측 가능 - 제작 및 실험 준비 소요 비용 문제 - 설계자의 경험에 기반한 설계 - 정확한 특성 예측 가능 - 제작 및 실험 준비 소요 비용 문제 - 설계자의 경험에 기반한 설계 설계 변수에 따른 특성 파악 용이한 CFD 기법을 사용한 차량 주변 유동 및 공력특성 분석 요구 설계 변수에 따른 특성 파악 용이한 CFD 기법을 사용한 차량 주변 유동 및 공력특성 분석 요구 - 다양한 조건 하에서 실험 가능 - 모형 제작 시간 및 비용 문제 - 복잡한 형상 모사 어려움 - 다양한 조건 하에서 실험 가능 - 모형 제작 시간 및 비용 문제 - 복잡한 형상 모사 어려움 차량 형상 및 운행 조건 변화 차량 형상 및 운행 조건 변화 형상 변수 및 운행 조건 변화 형상 변수 및 운행 조건 변화 형상 및 조건에 따른 운행 특성 변화 군집 운행으로 인한 차량 주 변 유동 및 항력 저감 특성 도 출 실험적 설계 기법 모형실험 설계 기법 차량 주변 유동 및 공력 해석

62 Sogang University Dept. of Mechanical Engineering Computational Fluid Dynamics Laboratory inlet outlet slip wall no slip wall CFD 해석을 위한 차량 형상 구현 차량 형상 해석 격자 CFD 해석 시 차량 운행 조건 구현 (inlet velocity : vehicle speed) (with vehicle speed) - CFD 해석을 통해 차량 주변 유동 및 공력 특성 도출 가능