CFD 및 풍동 실험을 이용한 스포일러 유무에 따른 승용차 유동 특성 (Flow Characteristics Based on The With and Without of Spoilers for Passenger Cars Using CFD and Wind Tunnel Experiments)

서지정보

· 발행기관 : 사단법인 한국융합기술연구학회
· 수록지 정보 : 아시아태평양융합연구교류논문지 / 11권 / 6호 / 411 ~ 421페이지
· 저자명 : 김성하, 박성영

초록

본 연구는 연비 및 주행 안정성을 높이는데 필수적인 승용차의 공기역학적 특성을 개선하기 위해 수행되었다. 본 연구는 스포일러가 있는 차량과 없는 차량 주변의 유동 특성을 분석하고자 진행하였다. 연구는 CFD 분석과 축소 풍동 실험 장치를 이용하여 진행하였다. 연구 대상은 스포일러가 있는 차량과 없는 차량 모두 상용화된 H사의 “A” 차량으로 선정하였다. CFD 해석은 Star-CCM+를 사용하였으며, 해석 모델은 SST k-ω 난류 모델을 사용하였다. CFD 분석 결과 스포일러가 차체 상부를 통과하는 기류의 분리점과 유동 방향에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 스포일러가 없는 Base 모델은 13.5°의 각도로 지면을 향하고 스포일러가 부착된 N 모델은 각도가 3.5°로 줄었다. 이러한 변화로 인해 차량 하부의 기류 속도가 증가하고 이에 따른 다운포스가 증가하였다. 기본 모델과 비교했을 때 전산유체역학(CFD) 분석 결과 스포일러 모델은 C_d값이 0.2% 증가하고 C_l값이 10.1% 증가하는 것으로 나타났습니다. 또한 Pitch 모멘트가 14.4% 감소하여 차량 안정성이 향상된 것으로 나타났다. 축소 풍동 실험과 CFD 해석 결과는 크기는 다르지만 변화 경향은 일치하는 것으로 나타났다. 특히, 두 방식 모두 항력 계수 증가에 비해 리프트 계수 증가가 더 크게 나타났다. 또한 상사화를 통해 계산된 속도로 풍동 실험을 진행하였을 때에 나타나는 유동 패턴 변화는 CFD 분석과 유사하게 나타났다. 본 연구는 스퐁일러가 공기역학적 저항을 크게 증가시키지 않고도 다운포스와 차량 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 본 연구는 자동차 튜닝 시장에서 제품 설계 및 분석, 단순화된 풍동 실험의 기초 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

영어초록

This study was conducted to improve the aerodynamic characteristics of passenger cars, which are essential for enhancing fuel efficiency and driving stability. The research analyses the flow characteristics around a vehicle with and without a spoiler. A CFD(Computational Fluid Dynamics) analysis and a scaled-down wind tunnel experimental setup were designed and utilized to achieve this. The models used in this study were commercialized "A" vehicles from manufacturer H, with and without spoilers. The simulations used Star-CCM+, employing the SST k-ω turbulence model. The CFD analysis results revealed that the spoiler significantly affected the airflow's separation point and flow direction passing over the vehicle's upper body. For the base model (without a spoiler), the flow was directed towards the ground at 13.5 °. However, The angle of the N model (with a spoiler) was reduced to 3.5 °. This change led to increased airflow velocity under the vehicle and a corresponding rise in downforce. Compared to the base model, the CFD analysis showed that the spoiler model exhibited a 0.2% increase in drag coefficient and a 10.1% increase in lift coefficient. The pitch moment was also reduced by 14.4%, indicating improved vehicle stability. The results from the scaled-down wind tunnel experiments, although differing in magnitude, showed trends consistent with the CFD simulations. Specifically, the lift coefficient(C_l) increase was more pronounced than the drag coefficient(C_d) increase in both cases. By operating the wind tunnel at dynamically scaled speeds, the flow pattern changes observed in the experiments were similar to those in the CFD analysis. This study demonstrates that spoilers can significantly enhance downforce and vehicle stability without substantially increasing aerodynamic resistance. The findings can serve as fundamental data for product design and analysis in the automotive tuning market and for simplified wind tunnel testing.

참고자료

· 없음