자연풍을 고려한 대형트럭 캡 측면 오염에 관한 비정상 상태 입자 유동해석

3.1 모델 형상 및 해석조건

전산 해석에 있어서 많은 시간이 소요되는 과정은 계산격자 생성절차인데 기하학적 모델 생성을 위하여 ANSA S/W를 이용하였다. Fig. 3에는 공력해석을 위한 형상 데이터와 이산화 과정 이후 생성된 각 VR(Variable region) 영역을 도시하였다. 공력에 영향을 줄 수 있는 미세 단차까지도 고려하여 실제형상을 그대로 반영하였다.

Fig. 3

Geometry and voxel resolution around vehicle

Table 1에는 VR 영역과 각 영역에 부여된 복셀(Voxel) 크기를 나타내었다. 최소 복셀 영역 대비 각 인접 영역의 복셀은 두 배의 크기로 증가하며 그릴 개구부의 형상을 고려하기 위하여 최소 복셀 영역인 VR10에는 1.25 mm 크기를 부여하였다. 캡 영역과 캡에 장착되는 미러, 루프 스포일러, 루프 바이저, 코너베인, 그리고 캡 곡률부에는 약 5 mm 크기로 하였고 캡 전체를 감싸는 VR7 영역은 10 mm의 크기로 하였다. 차량 전체를 감싸는 VR6 영역은 차량 상류 방향으로는 차량 높이의 0.5배, 하류쪽으로 2배, 차량 폭과 높이 방향으로는 각각 0.3배로 하였다. VR5부터 VR1까지는 40 mm에서부터 640 mm 크기의 복셀을 갖는다. 차량 주행 속도는 험로 주행 시험시 평균 속도인 48.3 km/h를 적용하였다.

Table 1

Voxel size of each variable resolution

3.2 오염원 모델링

측면 오염 현상은 주행 중 차량 자체에서 기인된 Self-soiling과 교행시 외부 차량에 의해 오염현상이 야기되는 Foreign soiling으로 구분된다. 대형트럭 측면 오염 현상은 Self-soiling 이므로 타이어 회전에 의해 비산되는 오염원을 모사하기 위해서는 오염물의 분사 위치, 분사 방향, 분사 속도, 그리고 오염물의 물리적 속성 등이 고려해야 될 중요한 항목이라 하겠다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 타이어 인접 영역에 오염물이 분출되는 27개의 오염원 생성박스(Emission box)를 고려하였고 27개의 오염원 생성박스는 타이어 원주 방향으로 등 간격으로 배치하였다. 타이어 전면에는 정체(Stagnation)영역이 형성되며 이러한 정체영역을 중심으로 흐름이 분지되고 또한 타이어 회전으로 인한 아래방향 흐름이 지배적이기 때문에 이 영역의 오염원 생성은 고려하지 않았다. 오염물 분출 박스는 육면체로 모델링 하였고 박스 폭의 길이는 타이어 폭과 동일한 280 mm로 하였으며 단면의 치수는 가로 세로 모두 5 mm로 하였다. 각각의 오염물 분출 박스에서는 40개의 입자들이 매 Time step 마다 생성되며 오염입자의 초기 분사 방향은 타이어의 접선 방향으로 고려하였다.

Fig. 4

Configuration of particle emission box

3.3 오염입자 모델링

오염현상은 우천시 노면이 충분히 젖은 비포장 도로를 주행 하는 경우 주로 발생하게 된다. 그러므로 실제적인 오염현상을 재현하는데 있어서 오염물인 물과 먼지의 모델링 및 물리적 속성을 정확히 고려하는 것이 관건이나 트럭 측면에 고착되는 오염물은 물과 먼지가 혼합된 형태이므로 오염입자의 정확한 물리적 속성을 얻는다는 것은 불가능하다. 본 연구에서는 오염입자를 임의의 크기를 갖는 구(Sphere)형태로 가정하였다. 비산 입자의 운동은 자체의 중력, 관성력 그리고 입자 이동시 공기저항에 의해 입자 운동의 궤적이 결정되는데 입자의 공기저항은 Reynolds 수의 함수로서 Clift 등⁵⁾이 제안한 아래의 관계식으로 고려하였다.

표준 더스트 입자 크기를 규정한 ISO 5011에 의하면 입자경 분포를 측정하는 안드레아센 피펫법(Andreasen pipette method)을 이용하여 더스트 입자를 미립과 세립으로 분류하고 있다. 이중 세립의 입자크기는 2 μm에서 부터 125 μm로 규정하고 있으며 자연발생적인 황사나 흙먼지 및 건설현장 비산 먼지 등은 약 10 μm 이상의 크기를 갖는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 먼지 입자 직경은 일정 범위를 가지므로 본 연구에서는 오염 입자 분출시 입자 직경이 모두 균일한 경우(Single)와 정규분포(Gaussian distribution) 형태의 일정 범위를 갖는 두 가지 방식으로 고려하여 각각의 물리적 속성 변화에 따른 측면 오염 해석을 수행하였다.

4.1 유동특성

대형트럭의 측면 유동은 Fig. 5에 도시한 유선 분포에서 알 수 있듯이 휠 하우징 내부로부터 유출되는 흐름의 영향이 매우 크다. 휠 하우징에서 유출되는 흐름을 살펴보면 휠 전방 상단 영역에서 주로 유출되며 휠 후방 상단 영역에서도 간헐적으로 유출되는 흐름이 발생한다. 휠 하우징에서 유출된 흐름은 캡 측면 흐름을 만나 하류로 향하는 흐름과 전방으로 향하는 역 흐름, 상향하는 흐름, 그리고 캡 측면에 재 부착(Reattachment)되는 흐름 등으로 시간변화에 따라 매우 복잡한 와류 흐름이 형성되고 있다.

Fig. 5

Instantaneous streamlines around wheel (Δt=0.05 sec)

캡 측면과 미러 주위의 유동을 Fig. 6에 도시하였다. 미러 주변에서는 A필라 와류(ⓐ)와 미러 후류 흐름(ⓑ)이 형성되고 있으며 표면 유선 분포에서 알 수 있듯이 미러 암과 루프 바이저 끝단으로부터 아래 방향으로 향하는 흐름과(ⓒ) A필라를 지난 흐름이 만나 새로운 흐름(ⓓ)을 생성하고 있다. A필라에서 발생하는 와류는 미러 하우징 내측과 외측으로 분지되며 내측의 흐름은 유리창으로 향하는 부딪힘 유동(Impingement flow,ⓕ)이 형성되고 있으며 사이드 윈도우에 재 부착(ⓔ)되고 있다. 승객석 쪽 표면 유선분포는 운전석에 비해 보다 상향하는 흐름(ⓖ)성분과 그리고 차량 전방으로 향하는 역 흐름(ⓗ)이 존재함을 볼 수 있으며 이는 전방에 장착된 미러 후류에 의한 영향으로 사료되며 측면 오염에 악영향을 미칠 것으로 판단된다.

Fig. 6

Flow characteristics around cab side and mirror

4.2 오염입자 조건 및 입자 거동 특성

측면 오염 현상은 타이어 회전에 의해 발생하는 차량 높이방향의 유동성분이 결정적인 요인이 되므로 시간변화에 따라 주기적으로 발생되는 타이어 주변의 실제적인 유동 모사가 관건이라 하겠다. 일반적인 공력 해석시 대용량의 유동 데이터가 생성되기 때문에 주기적으로 유동 데이터를 평균하는 방법을 취하는데 공력해석 주기(2×10^-2 sec)에 비해 오염해석은 보다 짧은 주기(6×10^-3 sec) 로 평균을 취하여 시간 변화에 따라 간헐적으로 발생되는 흐름까지도 모사할 수 있도록 하였다.

Table 2에는 각 모델의 오염입자의 물리적 속성과 분사조건을 나타내었다. Fig. 7에는 Case 3의 시간변화에 따른 오염입자 궤적 변화를 도시한 것으로 각 그림은 0.024 sec 순간마다 추출된 결과이다. 시간변화에 따라서 간헐적으로 오염입자의 궤적이 캡 측면 상단 및 차량 전방으로 역류하고 있음을 볼 수 있다.

Table 2

Property of contamination particle

Fig. 7

Instantaneous particle trajectory around wheel (Case 3, arrow: reverse flow)

4.3 오염입자 크기의 영향

입자 크기 및 분사 조건에 따른 운전석과 승객석의 오염 해석 결과를 Fig. 8에 도시하였다. 입자 평균 직경이 작을수록 캡 상단 유리창 영역까지 상대적으로 많은 입자들이 고착되어 측면 오염 면적이 넓게 형성되고 있음을 볼 수 있다. 운전석에 비해 승객석 사이드 유리창의 오염이 상대적으로 보다 심하며 이는 Fig. 6과 Fig. 7에 도시한 표면 유선과 오염입자 궤적 변화 결과에서 알 수 있듯이 비산되어 부유 중인 먼지입자가 미러 후류에서 형성되는 재순환 흐름 영역으로 간헐적으로 유입되기 때문으로 판단된다. 그러나 입자 직경이 250 μm 이상이 되면 대부분이 비산되지 못하고 타이어 및 하우징 내부면에 고착되는 결과를 나타내었고 200 μm 이하에서는 측면 오염 현상을 재현할 수 있었다. 전반적으로 입자직경이 75 μm 이하가 되면 실차 주행시험 결과와 유사하게 캡 측면과 유리창 그리고 흡기 덕트 인접 영역까지 오염되는 현상을 재현할 수 있었다. 특히 입자직경이 25 μm인 경우는 운전석 도어 그립을 기준으로 한 오염라인 형성과 코너베인 하단부 오염현상 등이 실차 주행 시험 결과와 매우 흡사하게 모사되었다. 정규분포 형태의 분사조건과 단일 입자 분사조건 결과를 비교해 보면 국부적으로 차이는 존재하지만 매우 유사한 경향을 보여 입자 직경이 오염 현상 모사에 가장 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.

Fig. 8

Contamination results with respect to the variation of particle size (baseline)

Fig. 9에는 코너베인 개선안을 적용한 경우의 측면 오염 해석결과를 도시하였다. 코너베인 개선안은 베인의 길이 증대, 내부 유로의 유선화, 가이드 베인의 하향 각을 적용하였다.

Fig. 9

Contamination results with respect to the variation of particle size (new design)

Fig. 8의 결과와 비교해 볼 때 개선된 코너베인을 적용한 경우 전반적으로 타이어 주변의 휠 하우징영역만 오염현상이 발생하고 있고 유리창 및 도어 그립 영역 오염은 소멸되었다. 이는 Fig. 10에 도시한 바와 같이 코너베인 출구부 및 캡 측면(ⓘ)에서 유속이 전체적으로 증대되었기 때문이다.

Fig. 10

Velocity distribution and streamline on the cab side surface (left: baseline, right: new design)

4.4 실도로 자연풍의 영향

우리나라는 대륙의 동안에 위치하여 대륙과 해양의 사이에서 계절풍의 영향을 크게 받으며 지역별 자연풍의 편차는 있지만 연평균 자연풍의 속도는 약 2 m/sec ~ 4 m/sec수준이다.⁶⁾

• where V_T : vehicle velocity relative to the road way
     V_W : mean wind velocity
    ϕ : angle of the mean wind relative to the vertical center plane of the vehicle
    ψ : angle of yaw of the vehicle relative to the equivalent free airstream

Fig. 11에는 자연풍이 존재할 때 차량 주행 방향에 대해 횡풍이 형성되며 이때의 상대적인 속도에 대한 개략도를 도시하였다. Table 3에는 자연풍을 3 m/sec로 고려했을 때 식 (2)와 식 (3)를 이용하여 자연풍과 차량주행 속도에 의해 형성되는 요각(Yaw angle)을 계산하였다. 자연풍에 의한 요각 정의는 SAE J1252 표준⁷⁾을 기준으로 하였으며 식 (3)로부터 자연풍의 방향이 30°간격으로 변화할 때 차량 주행 방향에 대한 상대적인 요각을 얻을 수 있다. 예를 들면, 주행속도는 48 km/h 이고 주행 방향에 대해 45도의 자연풍이 불어오면 요각은 8.1°임을 의미한다. 전반적으로 자연풍이 3 m/sec로 존재할 때 차량속도가 중속(48.3 km/h)인 경우 요각은 약 3°~14°로 형성되고 고속(88.5 km/h)인 경우 약 2°~7°로 형성된다.

Fig. 11

Relative airspeed vector diagram

Table 3

Calculated yaw angle for different vehicle speed

Fig. 12에는 비정상상태 해석으로부터 추출된 임의의 시간에서의 오염입자의 궤적을 도시하였다. Fig. 7에 도시한 정풍조건 대비 요각이 형성되면 바람을 등지는 쪽(Leeward, 이하 LH) 횔 하우징으로부터 직접적으로 상향하는 흐름의 강도가 세지고 미러 후류로 유입된 흐름의 난동성분 또한 더욱 거세짐을 볼 수 있다.

Fig. 12

Instantaneous particle trajectory (baseline)

Fig. 13과 Fig. 14에는 횡풍 조건에서 입자 직경 변화에 따른 측면 오염도를 도시하였다. 바람을 맞는 쪽(Windward, 이하 RH)에서는 정풍조건의 캡 상단에서 발생하는 오염 현상은 소멸(ⓙ)되었지만 도어일부 영역에서 오염현상은 발생(ⓚ)하고 있다. 특히 바람을 등지는 LH 쪽에서는 차량 전방 및 상단까지 오염 입자가 고착되는 현상(ⓛ)을 볼 수 있으며 오염면적 또한 넓게 형성되었다.

Fig. 13

Contamination results with respect to the variation of particle size under 2.8° yaw condition (baseline)

Fig. 14

Contamination results with respect to the variation of particle size under 4.5° yaw condition (baseline)

횡풍 2.8°조건에서 RH 쪽은 입자 사이즈 변화에 크게 영향을 받지 않으나 LH 쪽의 오염도는 입자 사이즈가 작아지면 캡 상단 유리창까지 오염(ⓛ)되어 오염면적이 넓게 형성되었다. 요각이 4.5°로 증가하면 RH 쪽의 도어오염과 LH 쪽의 캡 상단 유리창의 오염은 감소(ⓜ)한 반면 LH 쪽 캡 도어 상단에 오염입자가 집중적으로 고착(ⓝ)되었다. 정풍조건 오염해석 결과에 비해 실도로 지상풍을 고려한 횡풍 조건 해석에서는 오염입자가 캡 상단 유리창까지 비산되는 특성과 캡 도어 영역에 집중적으로 짙게 오염되는 현상이 모사되었다.

정풍조건과 횡풍조건의 결과를 종합적으로 고려해 볼 때, 실차 주행 시험 결과를 기준으로 정풍조건해석 결과는 오염라인 예측이 유사한 반면 캡 상단 유리창 영역까지 오염되는 비산 흐름 특성이 다소 적게 예측되었고 횡풍조건 해석결과는 오염입자 비산 흐름 특성이 다소 크게 예측된 것으로 판단된다.