A Numerical Study of the Effect of Small Passenger Car's Grille Shape on the Aerodynamic Performance

Copyright

2015 KSAE / 134-10 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.1.074 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 1, pp.74-87 (2015)

소형 승용 차량의 그릴 형상이 차량의 공력 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

김 재 민¹⁾․조 형 규¹⁾․김 택 기¹⁾․김 문 상^*1)․김 용 석²⁾․김 용 년²⁾

한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과¹⁾․한국지엠 CAE 담당²⁾

A Numerical Study of the Effect of Small Passenger Car’s Grille Shape on the Aerodynamic Performance

Jaemin Kim¹⁾․Hyeongkyu Cho¹⁾․Taekgi Kim¹⁾․Moonsang Kim^*1)․Yongsuk Kim²⁾․Yongnyun Kim²⁾

1)

Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Gyeonggi 412-791, Korea

2)

CAE Integration Division, GM Korea Company, 233 Bupyeong-daero, Bupyeong-gu, Incheon 403-714, Korea (Received 2 July 2014 / Revised 29 August 2014 / Accepted 2 September 2014)

Abstract : A numerical parametric study has been accomplished to figure out the effect of grille shape built in a small passenger car on the aerodynamic performance such as drag and mass flow rate through CRFM(Condenser Radiator Fan Module). Three grille opening parameters and three grille mesh parameters are selected and adopted to a simple shape passenger car model. This research will provide a design guideline for grille opening geometry and mesh shape in the grille. FLUENT, which is very well known commercial code, hires    turbulence model at the driving speed of 110km/h with moving wall boundary condition. A porous media condition is prepared to estimate the pressure drop amount through CRFM parts.

Key words : Small passenger car(소형 승용 차량), CRFM(응축기, 방열기, 팬 모듈), Numerical analysis(수치해석), Grille opening(전면 개구부), Grille mesh(그릴 메쉬), Aerodynamic performance(공력 성능), Flow rate(유량)

Nomenclature ¹⁾



: free-stream velocity, km/h

 : free-stream density, kg/m

 : free-stream viscous coefficient, kg/(m･s)



: reference area, m

  : drag coefficient of car

h : vertical height of upper grille upper H : vertical height of upper grille lower w : horizontal width of upper grille upper W : horizontal width of upper grille lower

 : grille mesh angle

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

l : grille mesh passage length t : grille mesh thickness

1. 서 론

전 세계적으로 환경 보호에 대한 관심이 높아지

면서 차량의 연비 개선은 차량 설계 시부터 고려되

는 필수적인 항목이 되었다. 차량의 연비 개선에 대

한 여러 노력들 가운데 FEAF(Front End Airflow)를

최적화하여 차량 전방 및 엔진 룸 내부의 정체압력

을 완화시키고 연비를 개선시키는 방안에 대한 많

은 연구가 수행되고 있다.

차량의 공력 성능을 분

석하는 방법으로 풍동실험과 수치해석 방법이 많이

사용된다. 풍동 실험의 경우 실제 상황과 유사한 결

소형 승용 차량의 그릴 형상이 차량의 공력 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

과를 얻을 수 있어 많은 연구가 이루어지고 있다.

최근에는 컴퓨터의 성능 향상과 전산 유동 해석 기 법의 발달로 수치해석을 이용한 연구 또한 활발하 게 수행되고 있다.

차량의 여러 부품들 중 차량 전방에 장착되는 Grille은 엔진 룸 내부로 흘러 들어가는 유동이 통과 하는 부분이다. 따라서 차량 전방에 장착되는 Grille 의 형상은 차량의 공력 성능과 열 냉각성능에 영향 을 미치는 중요한 장착물이다. Grille의 형상은 공력 및 열 냉각 성능 뿐 아니라 외부 디자인 요소에서도 중요한 요소이다. 따라서 소형 승용차량의 전방에 장착된 Grille의 형상 및 Grille Mesh의 형상은 차량 의 성능 개선을 위한 설계 대상의 하나가 될 수 있 다.

본 연구는 Ahmed Body 실험 결과와 비교를 통해 검증

을 수행한 열/유동 해석용 상용 프로그램인 Fluent

를 사용하여 소형 승용차량에 장착된 Grille 의 외부 형상 및 Grille Mesh의 형상 변경에 따른 차 량의 항력 및 Grille로 유입되는 유량의 변화를 분석 하고, 결과를 토대로 Grille 설계에 필요한 설계 가이 드를 제공하는 것이 목적이다. 이를 위하여 Grille Opening 형상과 관련된 3개의 형상 매개변수와 Grille Opening을 구성하는 Grille Mesh 형상과 관련된 3개 의 형상 매개변수를 선정한 뒤 단순화된 소형 승용 차량에 적용하여 공력 성능 변화에 대한 수치해석 을 수행하였다.

2. 계산조건 및 모델링

유동 해석에 이용할 유동장 영역의 크기는 한국 지엠주식회사에서 활용하고 있는 풍동 실험장치의 크기인 길이 21.3m, 폭 10.4m, 높이 5.4m의 크기로 설정하였다.

또한 유동장 영역 안쪽에 1개의 박스를 만들어 차 량 주위의 공간격자를 더 조밀하게 생성할 수 있도 록 하였다.

차량 표면을 따라서 발달하는 경계층과 박리 현 상을 자세히 관찰할 수 있도록 하기 위해서 차량 표 면에서의 격자는 

  의 값을 사용하여 총 12층의 경계층 격자를 형성하였다.

Fig. 1 Computational domain

Fig. 2 Volume mesh generation

Fig. 3 Boundary layer mesh generation

입구에서 유동속도는 차량의 고속주행 속도인 110km/h로 설정하여 입구면 에 수직 방향으로 균일 한 유동이 유입될 수 있도록 설정하였고 출구에서 는 균일한 대기압 조건으로 유동이 출 구면에 수직 방향으로 나갈 수 있도록 설정하였다. 또한 지면에 서 경계층이 형성되는 것을 방지하기 위해서 주행 속도인 110km/h로 Moving wall 조건을 적용하였다.

해석에 사용된 난류 모델은 realizable ^{  } 모델 을 사용하였으며 차량의 엔진 룸 앞에 위치한 냉각 모듈인 CRFM에서는 Porous media 조건과 Fan 조건 을 적용하여 Condenser, Radiator, Fan의 실제 형상 모델링을 하지 않고 압력 변화량에 관한 수식을 입 력하여 압력 변화를 모사하였다.

실험을 통해서 얻은 CRFM을 지날 때의 압력 변

화량을 모사하기 위해 Condenser와 Radiator의 경우

유입속도에 따른 압력 변화량을 2차식으로 Fitting

하여 각 항의 계수를 이용해 Viscous Resistance와

Jaemin Kim․Hyeongkyu Cho․Taekgi Kim․Moonsang Kim․Yongsuk Kim․Yongnyun Kim

(a) Condenser

(b) Radiator

(c) Fan

Fig. 4 Experimental data & curve fitting data of CRFM pres- sure variation

Inertial Resistance를 계산해 Porous Media 조건에 적 용하였고, Fan의 경우 7차식으로 Fitting 하여 각 항 의 계수를 Fan 조건에 적용하여 모사하였다.

2.2 단순화된 소형 승용차량 모델링

본 연구는 Grille Opening 매개변수와 Grille Mesh 매개변수의 형상 변경에 따라 차량의 항력 및 Grille

(a) Front view

(b) Side view

(c) Top view

Fig. 5 Modeling of simplified small passenger car

로 유입되는 유량이 어떻게 변화하는지를 알아보기 위해서 단순화된 소형 승용차량에 본 연구에서 선 정한 매개변수들을 적용하여 연구를 수행하였다.

단순화된 소형 승용차량은 실제 소형 승용차량의 중심 단면 형상을 전폭 방향으로 실제 소형 승용차 량의 제원과 같이 평행하게 생성하고 Grille의 모델 링 및 장착의 용이성을 위해 차량 전방을 수직한 평 면으로 단순화하여 생성하였다.

또한 복잡한 엔진 룸 내부의 부품들을 제거하여 단순화하고 직사각형 박스 형태로 생성하였다. 내 부로 유입된 유체는 차량 하부의 앞바퀴 부근에서 나갈 수 있도록 하고 Grille을 통과한 유체는 모두 CRFM으로 유입될 수 있도록 완전히 밀봉된 형태의 Baffle로 모델링 하였다.

실제 Grille의 형상은 측면에서 보았을 때 곡면으

로 부드럽게 휘어져 있는 형태이고 정면에서 보았

을 때 양쪽 끝이 막혀있지만 단순화된 모델에서는

평평한 형태로 모델링하고 막힌 부분이 없도록 하

였다. 연구 대상으로 선정된 차량의 Grille은 총 3개

영역으로 나뉘어 장착되며, 장착 위치에 따라서 가

장 아래에 장착되는 Grille을 Lower Grille, Impact

A Numerical Study of the Effect of Small Passenger Car’s Grille Shape on the Aerodynamic Performance

(a) Y=0m section view

(b) Baffle modeling

Fig. 6 Engine room & baffle modeling of simplified small passenger car

Fig. 7 Grille shape of simplified small passenger car

Beam 위로 장착되는 Grille중에서 맨 위에 장착되는 Grille을 Upper Grille upper로, 그리고 밑에 장착되는 Grille을 Upper Grille lower로 Fig. 7과 같이 각각 명 명하였다.

본 연구는 Grille의 Opening 크기, 형상 및 장착 위 치와 관련 있는 Grille Opening 매개변수와 Grille을 채우고 있는 Mesh와 관련된 Grille Mesh 매개변수로 크게 2개의 그룹으로 나눈 뒤 각각의 매개변수를 선 정하여 연구를 진행하였다.

3. 연구 결과

Grille Opening의 크기, 형상 및 장착 위치와 관련 하여 Grille Opening의 형상을 유지한 채 면적을 변화 시키는 Grille Opening Size 매개변수, Grille의 Opening 면적을 유지한 채 Aspect ratio를 변화시키는 Grille Opening Aspect Ratio 매개변수, 동일한 Grille의 장

착 위치를 세로 방향으로 변화시키는 Grille Mounting Location 매개변수 등 총 3가지의 매개변수를 선정 하였다.

Grille Opening Size 매개변수의 경우 Size의 변화 는 Grille 중앙 중심점으로부터 Upper Grille upper의 세로길이 h와 가로길이 w를, Upper Grille lower의 세 로길이 H와 가로길이 W를 각각 -20% ~ +20%까지 10% 간격으로 변화시켰으며, 결과적으로 면적의 변 화는 -44% ~ +44%까지 변하게 된다.

Grille Opening Aspect Ratio 매개변수의 경우 Grille의 세로길이 h와 H를 각각 -20% ~ +20%까지 10%의 간격으로 길이를 변화시키면서 Grille의 Opening 면적이 동일하게 유지되도록 가로길이 w 와 W를 각각 변화시켰다. Upper Grille upper와 Upper Grille lower의 Aspect Ratio는 각각 w/h, W/H 이므로 세로 방향 길이가 증가할수록 Aspect Ratio는 감소 하게 된다.

마지막으로 Grille Mounting Location 매개변수의 경우 실제 차량의 Impact beam과 Hood의 위치를 고 려하여 Grille의 위치를 Grille 중심점을 기준으로 -20mm ~ +20mm 까지 10mm 간격으로 변화시키며 해석 하였다.

3.1.2 Grille Opening Size Parameter

Fig. 8과 Fig. 9는 Grille Opening Size 매개변수에 대한 수치해석 결과로 항력의 변화와 Grille로 유입 되는 유량의 변화를 나타낸 그래프이다. 그래프에 서 가로축은 Grille Opening Size의 변화를 나타낸다.

여기에서 나타낸 항력 계수는 다음과 같이 정의된다.



    _{  }



  

× 



Drag Force는 차량에 작용하는 흐름 방향으로 압

력에 의한 힘 및 표면에 작용하는 흐름 방향의 점성

력을 모두 고려한 힘이고 

는 흐름 방향으로 투

영시킨 차량의 면적이며  는 일정한 크기를 갖는 공

기의 밀도, 

는 차량의 주행속도를 나타낸다. 또

한 항력계수의 변화량을 알아보기 쉽도록 하기 위

해 count라는 단위를 사용하였는데, 이는 항력계수

변화량의 1,000배의 크기를 갖는 무차원화 된 값으

로 정의한다.

김재민․조형규․김택기․김문상․김용석․김용년

Fig. 8 Drag coefficient versus grille opening size parameter

(a) Mass flow rate through each grille

(b) Total mass flow rate

Fig. 9 Mass flow rate versus grille opening size parameter

Fig. 8을 보면 Opening Size가 커질수록 전체적인 항력은 비례하여 증가하는 경향을 나타내었고 변화 량은 Base Model 대비 약 -0.77count ~ +1.76count 정 도의 변화를 나타내었다. Fig. 9의 (a)에서 각각의 Grille을 통과하는 유량을 보면 Size가 커질수록 Upper Grille lower의 유량이 같이 증가하지만 이와

반대로 Upper Grille upper의 경우 Size가 커짐에도 불구하고 Upper Grille lower로 유입된 유량 중 일부 가 위로 향하면서 Upper Grille upper로 유입되는 유 동을 방해하면서 유량이 감소하는 경향을 나타냈고 매개변수의 변화에 상관없이 일정한 크기를 가지는 Lower Grille의 유량 역시 감소하는 경향을 나타내 었다. 각 Grille을 통과하는 유량의 변화량은 Upper Grille lower에서 가장 크게 나타나 Grille을 통과하 는 전체 유량의 변화 경향은 Fig. 9의 (b)와 같이 Size 가 증가함에 따라 비례하여 증가하는 경향을 보였 으며 Base Model 대비 약 -2.11% ~ +1.55% 정도의 변 화를 나타내었다.

Fig. 9의 (a)에서 Upper Grille upper의 경우 유량이 다른 Grille과 다르게 음의 값을 나타내었는데, 이는 Grille을 통해 유체가 엔진 룸 내부로 유입되지 못하 고 상대적으로 압력이 낮은 밖으로 역류하는 현상 이 발생한 것을 의미한다.

Fig. 10은 Front Fascia와 Grille의 압력 분포도를 나타낸 그림이다. 차량의 전면에서 위, 아래로 나누 어진 유동이 Bonnet을 지나며 가속되어 Upper Grille upper 주위의 압력이 낮은 것을 볼 수 있다. Baffle이 완벽히 막혀있고 내부로 유입된 유체가 나갈 수 있 는 출구가 제한적이므로 상대적으로 압력이 낮은 Upper Grille upper를 통해 흐름이 역류하게 된다. 이 러한 현상은 모든 매개변수에 대하여 발생한 공통 적인 특성으로 확인되었다.

Fig. 11은 항력계수를 크게 엔진 룸, CRFM, Exterior 로 나누어 비교한 결과이다.

Opening 면적이 증가함에 따라 Grille을 통과하는 유량이 증가하므로 결과적으로 엔진 룸 내부로 향 하는 유량이 증가해 엔진 룸 내부의 항력이 증가하 는 경향을 보였고 CRFM의 항력도 소폭 증가하는

Fig. 10 Pressure contours on the grille & front fascia

소형 승용 차량의 그릴 형상이 차량의 공력 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

Fig. 11 Drag coefficient comparison

(a) -20% (-44%) (b) +20% (+44%)

Fig. 12 Pressure contours on the exterior parts

경향을 나타냈다. 이와는 반대로 Exterior의 항력은 Opening 면적이 증가함에 따라 항력이 감소하는 경 향을 보였다.

Fig. 12는 정면에서 바라본 차량 외부의 압력 분 포도이다. 차량 전면에 위치한 Front Fascia에서 강 한 정체압이 형성되어 차량의 항력 증가에 큰 영향 을 미치게 되는데 Opening Size가 커질수록 Front Fascia의 면적이 작아지게 되므로 Exterior에서 발생 하는 항력이 감소하게 된다. 전체적인 항력은 엔진 룸과 CRFM을 통과하는 유량의 증가로 증가된 항력 이 더 큰 영향을 미쳐 증가하는 경향을 보여주었으 나 Exterior와 엔진 룸의 변화 경향이 서로 반대로 나 타나 큰 변화를 보여주지는 않았다.

Fig. 13은 CRFM의 가장 앞에 위치하고 있는 Con- denser Inlet에서의 압력 분포도이다. Opening Size가 증가할수록 유량이 증가함에 따라 CRFM으로 유입 되는 유량도 크게 증가해 전면에서의 압력이 증가 하고 엔진 룸 내부로 향하는 유량이 증가하므로 내 부 냉각성능의 향상을 기대할 수 있다.

(a) -20% (-44%) (b) +20% (+44%)

Fig. 13 Pressure contours on the condenser

3.1.3 Grille Opening Aspect Ratio Parameter

Fig. 14와 Fig. 15는 Grille Opening Aspect Ratio 매 개변수에 대한 수치해석 결과로 항력의 변화와 Grille로 유입되는 유량의 변화를 나타낸 그래프이 다. 그래프의 가로축은 Grille의 세로길이변화를 나 타낸 것이다. Grille의 세로길이가 증가할수록 Grille Opening의 면적을 유지하기위해 가로길이를 감소 시키므로 Aspect Ratio는 작아진다.

Fig. 14를 보면 Grille Opening Aspect Ratio 매개변 수의 경우 눈에 띄는 경향 없이 항력의 변화가 거의 나타나지 않은 것을 볼 수 있다. 하지만 Fig. 15의 (a) 를 보면 Upper Grille lower에서 Aspect Ratio가 감소 하여 Grille의 세로 길이가 길어질수록 유입되는 유 량이 증가하는 경향을 나타내었다. Upper Grille upper 와 Lower Grille에서는 이와 반대로 유량이 감소하 는 경향을 나타내었다. 하지만 Fig. 15의 (b)를 보면 Grille Opening Size 매개변수와 마찬가지로 Upper

Fig. 14 Drag coefficient versus grille opening aspect ratio parameter

Jaemin Kim․Hyeongkyu Cho․Taekgi Kim․Moonsang Kim․Yongsuk Kim․Yongnyun Kim

(a) Mass flow rate through each grille

(b) Total mass flow rate

Fig. 15 Mass flow rate versus grille opening aspect ratio parameter

Grille lower의 유량 변화가 가장 크게 변해 전체적인 유량 변화 경향도 동일하게 Aspect Ratio가 감소할 수록 증가하는 경향을 나타내었다. 유량의 변화는 약 -0.71% ~ 0.48%로 작은 변화를 보였다.

Fig. 16에서 크게 나눈 세 부분에서의 항력 변화 를 보면 거의 나타나지 않는다. 유량의 변화 폭 자체 가 크지 않았기 때문에 큰 변화가 나타나지 않았지 만 Aspect Ratio가 감소할수록 유량이 약간씩 증가 함에 따라 엔진 룸과 CRFM에서의 항력도 같이 소 폭 증가하게 되었다. Exterior에서는 이와 반대로 항 력이 소폭 감소하는 경향을 나타내었으나, 각 부분 에서 변화하는 항력의 크기가 너무 작아 전체적인 항력의 변화도 큰 경향성이나 폭을 가지지 않게 되 었다.

Fig. 17에서 Grille의 Aspect Ratio가 변함에도 불 구하고 압력 분포가 크게 다르지 않았지만 Grille의

Fig. 16 Drag coefficient comparison

(a) -20% (b) +20%

Fig. 17 Pressure contours on the exterior parts

형상이 달라짐에 따라 Front Fascia의 모양이 달라져 항력이 서로 다르게 나타났다.

Aspect Ratio가 작아질수록 Upper Grille lower의 세로 방향 길이가 길어져 Front Fascia의 높은 정체 압을 형성하던 부분이 열린 공간이 되면서 항력을 감소시키고 유량을 증가시켰으며, 더불어 가로 방 향 길이가 감소하게 되어 가로 방향의 Front Fascia 의 면적이 증가하면서 항력을 증가시키고 유량을 감소시켰다. 하지만 유동이 위, 아래로 나뉘는 Upper Grille 과 Lower Grille 사이에서 더 큰 변화를 발생시 키게 되므로 전체적으로 Aspect Ratio가 감소할수록 Exterior의 항력은 감소하고 Grille을 통과하는 유량 은 증가하게 되었다.

3.1.4 Grille Mounting Location Parameter

Fig. 18과 Fig. 19는 Grille Mounting Location 매개 변수에 대한 수치해석 결과로 항력의 변화와 Grille 로 유입되는 유량의 변화를 나타낸 그래프이다.

Fig. 18을 보면 장착 위치가 Base Model보다 아래

A Numerical Study of the Effect of Small Passenger Car’s Grille Shape on the Aerodynamic Performance

Fig. 18 Drag coefficient versus grille mounting location parameter

(a) Mass flow rate through each grille

(b) Total mass flow rate

Fig. 19 Mass flow rate versus grille mounting location parameter

로 이동할수록 항력이 점점 증가하는 경향을 나타 내고 반대로 위로 이동할 경우에도 마찬가지로 항 력이 증가하는 U자 형태의 경향을 나타냈다. 항력 의 변화량은 최대 0.9count로 작은 변화량을 보였다.

Grille을 통과하는 유량의 경우 Fig. 19의 (a)를 보면 장착 위치가 위로 이동할수록 Upper Grille lower를 통과하는 유량이 감소하고 반대로 Lower Grille을 통과하는 유량이 증가하는 경향을 나타내었다. 다 른 매개변수와는 다르게 Upper Grille upper에서 역 류하는 유량이 Upper Grille lower를 통과하는 유량 이 감소함에도 불구하고 증가하는 경향을 나타내었 다. 전체적인 유량을 나타낸 Fig. 19의 (b)를 보면 장 착위치가 위로 올라갈수록 Upper Grille lower를 통 과하는 유량이 감소하고 Upper Grille upper를 통해 역류하는 유량이 증가하여 전체적인 유량은 감소하 는 경향을 나타내었다.

Grille의 장착 위치가 위로 올라갈수록 유량이 감 소하는 경향을 나타내었으나 항력은 선형적인 변화 가 아닌 U자 형태의 변화를 보였는데, 이는 장착 위 치가 Base Model보다 아래에 있을 때 유동이 Front Fascia에 강하게 부딪치는 부분이 열린 공간이 되면 서 유량이 증가해 엔진 룸 내부로 유입되는 유량의 증가하게 되고 내부 항력이 증가하여 전체적인 항 력이 증가하게 되었다. 이와 반대로 장착 위치가 위 에 있을 때 유량은 감소하지만 강한 정체압이 형성 되는 Upper Grille과 Lower Grille 사이의 공간이 넓 어지므로 Front Fascia의 항력 증가량이 커져 전체적 인 항력이 증가하는 경향을 보였다. 즉, Grille의 장 착 위치에 따라 항력에 대한 지배적인 영향력이 엔 진 룸 내부와 Front Fascia가 서로 다르게 나타났다.

다른 매개변수와 다르게 Upper Grille lower를 통 과하는 유량이 감소함에도 Upper Grille upper를 통 해 역류하는 유량이 증가한 이유는 Fig. 20에서 보면 장착 위치가 위로 올라갈수록 Upper Grille upper가 더 낮은 압력이 분포하는 곳으로 장착되기 때문이 다. 차량의 전면에서 우회하는 유동들은 가장자리 에서 가속되어 빠른 속도로 지나가고 표면의 압력 이 낮아지는데 Upper Grille upper가 압력이 낮은 곳 에 장착되므로 상대적으로 더 큰 압력차가 발생하 여 더 많은 유량이 역류하는 현상을 나타내었다.

Fig. 21은 y=0m인 x-z 평면 위에서 Upper Grille

lower 근처에 나타낸 속도 벡터이다. 앞에서 언급한

바와 같이 Grille의 장착 위치가 위로 올라갈수록

Upper Grille lower를 통과하는 유량이 감소하는 이

김재민․조형규․김택기․김문상․김용석․김용년

(a) -20mm (b) +20mm

Fig. 20 Pressure contours on the exterior parts

(a) -20mm (b) +20mm

Fig. 21 Velocity vectors around the upper grille lower (y=0m plane)

유는 Upper Grille과 Lower Grille 사이에서 유동이 수 직하게 불어와 강한 정체압을 형성하는데 장착 위치 가 아래에 있을 때 상대적으로 평행하게 유동이 흐 르게 되므로 유량이 증가하고, 장착 위치가 위로 올 라갈수록 Grille의 Passage와 유동이 이루는 각도가 경사지게 되면서 유입되는 유량이 감소하기 때문이다.

3.2 Grille Mesh Parameter 3.2.1 Modeling

Grille Mesh 매개변수로 선정한 매개변수들은 Grille 통로의 기울기를 변화시키는 Grille Passage Angle 매개변수, Grille 통로의 길이를 변화시키는 Grille Passage Length 매개변수, Grille Mesh에서 유 동이 통과하는 Mesh의 두께를 변화시키는 Grille Mesh Thickness 매개변수 등 총 세 종류에 대하여 연 구를 수행하였다.

Grille Passage Angle 매개변수 ^ 의 경우 지면과 평 행인 수평면과의 기울기가 0°인 경우부터 3°간격으

Fig. 22 Grille mesh shape of simplified small passenger car

로 9°까지 변화시켰으며, Grille Passage Length 매개 변수 l 의 경우 통로 길이를 2.5mm 줄인 경우와 2.5mm, 5mm 늘린 경우로 변화시켰다. 또한 Grille Mesh Thickness 매개변수 t 의 경우 Base Model을 기 준으로 50% 늘린 경우(+1.25mm)와 50% 줄인 경우 (-1.25mm)에 대해서 해석하였다.

3.2.2 Grille Passage Angle

Fig. 23은 Grille Passage Angle 변화에 따른 단순화 된 차량의 항력계수의 변화를 나타낸 그래프이다.

3°기울였을 경우 항력계수가 약 0.7count 감소하였 고 더 기울였을 경우 기울기가 증가할수록 항력계 수가 증가하는 경향을 나타내었다. 전체 항력계수 의 변화는 Fig. 24에 나타난 엔진 룸의 항력계수의 변화와 유사한 경향을 보인다. Fig. 25에서 볼 수 있 듯이 엔진 룸으로 들어가는 유량은 엔진 룸의 압력 항력에 큰 영향을 미친다. 즉, Grille Passage Angle 달 라지면 엔진 룸으로 들어가는 유동에 영향을 미쳐 유량이 달라지고 엔진 룸에 작용하는 압력 항력이 변화되게 된다. 엔진 룸의 압력 항력의 변화가 전체 항력 변화를 주도하게 되어 Fig. 23과 같은 차량 전 체 항력의 변화 경향이 나타나게 되었다.

Fig. 26은 Upper Grille lower 통로의 속도 분포를

Fig. 23 Drag coefficient versus grille passage angle

소형 승용 차량의 그릴 형상이 차량의 공력 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

Fig. 24 Engine room pressure drag coefficient

Fig. 25 Mass flow rate versus grille passage angle

(a) 0° (b) 9°

Fig. 26 Velocity contours near grille

나타낸 그림이다. Grille 주위에 형성되는 경계층과 후류를 선명하게 볼 수 있도록 속도 분포도의 범위 를 0km/h~70km/h로 나타내었다. Grille 주위의 속도 분포에서 가장 큰 변화를 일으키는 부분은 통로 아 랫면의 경계층 영역과 Grille Mesh 후방에서 발생하 는 후류 영역이다. Grille 통로를 9° 기울였을 경우 경계층의 두께가 감소하였고 후류의 크기가 작아진

(a) 0° (b) 9°

Fig. 27 Streamlines passing through grille

것을 볼 수 있다. 차량 앞부분 주위의 유동은 Front Fascia에 형성된 정체점에서 위, 아래로 나누어 흐르 게 된다. Upper Grille은 Front Fascia 위에 위치하고 있어 유동이 Fig. 27과 같이 흘러 들어오게 된다. 이 로 인해 Grille 통로의 기울기를 9°기울였을 경우 기 울기가 0°일 때 보다 유동이 Grille을 원활하게 통과 하고 유량이 증가하게 되며, 유량의 증가로 엔진 룸 내부의 압력이 증가하여 항력이 증가하게 된다.

3.2.3 Grille Passage Length

Fig. 28은 Grille Passage Length 변화에 따른 단순 화된 차량의 항력 계수 변화를 나타낸 그래프이다.

통로 길이를 늘였을 경우 항력이 증가하는 경향을 나타내었고 통로 길이를 줄였을 경우에도 항력이 증가하였다.

Fig. 29는 엔진 룸으로 유입되는 유량 변화를 나 타낸 그래프이다. Grille Passage Length를 2.5mm 늘 렸을 경우 소량 감소하였지만 2.5mm 줄인 경우와 5mm 늘린 경우 유량이 증가하였다.

Fig. 30은 Grille 주위의 속도 분포도를 나타낸 그림

Fig. 28 Drag coefficient versus grille passage length

Jaemin Kim․Hyeongkyu Cho․Taekgi Kim․Moonsang Kim․Yongsuk Kim․Yongnyun Kim

Fig. 29 Mass flow rate versus grille passage length

이다. 2.5mm를 줄인 Fig. 30의 (a)를 보면 Base Model 에 비하여 Passage 하단에 형성되는 경계층 두께가 얇은 것을 볼 수 있다. 이로 인해 유동이 엔진룸으로 원활하게 유입되어 유량이 증가하였다. 길이를 2.5mm 늘렸을 경우 경계층 두께가 증가하였고 이로 인해 서 엔진룸으로 유입되는 유동이 방해되어 Grille 뒤 에 형성되는 후류의 크기가 증가하였다. 따라서 Grille의 항력이 증가하여 전체 항력이 증가하였다.

5mm 늘린 경우 유동이 Grille Passage 윗면에 강하게 부딪히고 아랫면의 경계층을 눌러 경계층 두께

(a) -2.5mm (b) Base model

(c) +2.5mm (d) +5mm

Fig. 30 Velocity contours around grille

가 얇아진 것을 볼 수 있다. 흐름이 통과하는 영역이 넓어져 유량이 증가하였고 전체 항력이 증가하였다.

3.2.4 Grille Mesh Thickness

Fig. 31은 Grille Mesh Thickness 변화에 따른 단순 화된 차량의 항력 계수 변화를 나타낸 그래프이고 Fig. 32는 엔진 룸으로 유입되는 질량 유량을 나타낸 그래프이다. Grille Mesh의 두께를 늘렸을 경우 항력 이 소량 감소하였지만 Grille을 통과하는 유량은 상 대적으로 크게 감소하였다. Grille Mesh의 두께를 줄 였을 경우 항력과 유량 모두가 증가하였다. 엔진 룸 의 항력계수를 나타낸 Fig. 33을 보면 엔진 룸의 항 력 계수 변화 경향은 유량 변화 경향과 유사한 것을 볼 수 있다. 엔진 룸의 항력은 엔진 룸으로 유입되는 유량에 크게 영향을 받고 따라서 엔진 룸의 항력과 엔진 룸으로 유입되는 유량은 비슷한 경향을 보인 다. Fig. 34는 Grille의 항력계수를 나타낸 그래프이 다. Grille Mesh의 두께가 증가할수록 Grille의 항력 계수는 증가하는 경향을 보인다. 엔진 룸과 Grille의

Fig. 31 Drag coefficient versus grille mesh thickness

Fig. 32 Mass flow rate versus grille mesh thickness

A Numerical Study of the Effect of Small Passenger Car’s Grille Shape on the Aerodynamic Performance

Fig. 33 Engine room drag coefficient

Fig. 34 Grille drag coefficient

항력 계수의 변화가 아래와 같은 전체 항력계수의 변화가 나타난 주된 원인이다.

Fig. 35는 Grille 주위와 엔진 룸 내부의 압력 분포 도를 나타낸 그림이다. Grille Mesh의 두께를 50% 감 소시켰을 경우 엔진 룸 내부의 압력이 높아지는 것 을 볼 수 있고, Grille Mesh의 두께가 증가할수록 엔 진 룸 내부의 압력은 낮아지는 것을 볼 수 있다. 엔 진 룸 내부의 압력은 엔진 룸으로 유입되는 유량과 밀접한 관계를 갖고 있으며 Grille Mesh의 두께가 증 가할수록 유량이 감소하여 엔진 룸 내부의 압력이 낮아지고 엔진 룸의 항력계수가 감소하게 된다.

Fig. 36은 Grille 전방 표면의 압력 분포도를 나타 낸 그림이다. Grille Mesh의 두께를 50% 줄였을 경우 Grille에서 정체 압력이 작용하는 면적이 감소하여 정체 압력이 낮아지고 Grille의 항력이 감소하게 된 다. 두께를 50% 늘렸을 경우 정체 압력이 작용하는 면적이 증가하여 정체 압력이 높아지고 Grille의 항 력이 증가하게 된다.

(a) -50% (b) Base model

(c) +50%

Fig. 35 Pressure contours around grille

(a) -50% (b) Base model

(c) +50%

Fig. 36 Pressure contours on the grille

4. 결 론

1) Grill Opening Size 매개변수의 경우 면적의 크기 가 넓어질수록 CRFM을 통과하는 유량이 증가 하면서 CRFM에서 발생하는 항력의 크기도 증 가하였고, 차량 전체 항력 역시 증가하였다.

2) Grille Opening Aspect Ratio 매개변수의 경우 항력

의 변화가 거의 없었으며, Opening의 면적이 일정

해 유량 역시 큰 변화는 없었으나 Aspect Ratio가

감소하여 세로 방향으로 길어질 경우 CRFM을 향

김재민․조형규․김택기․김문상․김용석․김용년

하는 유량이 다소 증가하였다.

3) Grille Mounting Location 매개변수의 경우 장착 위치가 위로 이동할수록 차량 전면부의 정체 압 력의 증가로 항력이 증가하고 유량이 감소하는 반면에 아래로 이동할수록 Grille 전면부로 유입 되는 유량이 증가하면서 항력이 증가하였다.

4) 차량 Front Fascia에서 Upper Grille로 들어가는 흐름은 지면에서 위 방향으로 받음각을 갖고 흘 러 들어간다. 따라서 Grille Passage의 각도를 증 가시키면 Grille을 통과하는 유량이 증가하고 이 로 인해서 항력이 증가하였다.

5) Grille Passage Length의 변동은 Grille Mesh 통로 면에의 경계층 발달과 Grille 후방에서의 박리에 따른 재순환 영역 크기에 영향을 미치면서 항력 과 유입 유량에 영향을 미쳤다. 길이가 줄어들 경 우 유량과 항력 모두가 중가 하였고, 늘어날 경우 정도에 따라서 유량이 감소하거나 증가하였으 며 항력은 점차 증가하였다.

6) Grille Mesh의 두께가 증가할 경우 유입 면적의 감소로 Grille로 유입되는 유량이 감소하면서 항 력이 감소하였다.

7) Grille로 유입되는 유량 증감과 차량의 항력 증감 은 일반적으로 비례 관계에 있으므로 열교환기 성능 개선과 차량 항력 개선을 동시에 성취하기 는 어려움이 따른다. 따라서 차량 설계의 목적에 따라서 Grille 설계의 방향을 결정하여야 한다.

후 기

본 연구는 한국지엠주식회사의 2013년도 산학 협 동 연구개발 과제(과제명 : Stagnation Pressure Manage- ment to Reduce Aerodynamic Drag for Inside Front Bumper)의 결과물의 일부이며, 지원에 감사드립니다.

References

1) L. Larsson and H. Martini, Aerodynamic Drag Reduction of a Heavy Truck with Variable Cooling Air Intake Area, M. S. Thesis, Chal- mers University of Technology, Gothenburg, 2009.

2) M. Khaled, H. E. Hage, F. Harambat and H.

Peerhossaini, “Some Innovative Concepts for Car Drag Reduction: A Parametric Analysis of Aerodynamic Forces on a Simplified Body,” J.

Wind Eng. Ind. Aerodyn., Vol.107-108, pp.36- 47, 2012.

3) M. D’Hondt and P. Gilliéron, “Aerodynamic Drag and Flow Rate through Engine Compart- ments of Motor Vehicles,” AIAA 2010-4955, 2010.

4) K. Gosse, M. Gonzalez and P. Paranthoen,

“Mixing in the Three-dimensional Wake of an Experimental Modelled Vehicle,” Environ. Fluid Mech., Vol.11, Issue 6, pp.573-589, 2011.

5) B. Conan, J. Anthonie and P. Planquart, “Expe- rimental Aerodynamic Study of a Car-type Bluff Body,” Exp. Fluids, Vol.50, Issue 5, pp.1273-1284, 2011.

6) N. Tortosa and K. Karbon, “Aerodynamic Development of the 2011 Chevrolet Volt,” SAE 2011-01-0168, 2011.

7) W. Ding, J. Williams and D. Karanth, “CFD Application in Automotive Front-end Design,”

SAE 2006-01-0337, 2006.

8) J. Levin and R. Rigdal, Aerodynamic Analysis of Drag Reduction Devises on the Underbody for SAAB 9-3 by Using CFD, M. S. Thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, 2011.

9) Y. Yoo, S. Kim and J. Ha, “Parametric Study on Correlativity of Drag Coefficient to Front End Air Flow by Front Spoiler Lip Design,”

KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1009- 1014, 2010.

10) Y. Kim, S. Kang, S. Kim, W. Kwon and J. Ha,

“FEAF and Aerodynamics Study to Define front Opening of Mini Vehicle in Style Deve- lopment Stage Using Kriging Method,” KASE Annual Conference Proceedings, pp.527-531, 2011.

11) H. Jama, S. Watkins and C. Dixon, “Reduced Drag and Adequate Cooling for Passenger Vehi- cles Using Variable Area Front Air Intakes,”

SAE 2006-01-0342, 2006.

12) R. Mamat and A. M. Mahrous, “CFD Analysis of Air Intake System with Negative Pressure on

소형 승용 차량의 그릴 형상이 차량의 공력 성능에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

Intake Grill,” SAE 2008-01-1643, 2008.

13) F. Regin, “A Numerical Analysis on Air- cooling Performance of Passenger Cars,” SAE 2010-01-0054, 2010.

14) D. Baeder, T. Indinger and N. Adams, “Aero- dynamic Investigation of Vehicle Cooling-drag,”

SAE 2012-01-0170, 2012.

15) H. W. Han, H. H. Park, M. S. Kim, J. P. Ha and Y. N. Kim, “Aerodynamic Performance Depen- dency on the Geometric Shape and Mounting Location of OSRVM,” Transactions of KSAE, Vol.21, No.3, pp.30-42, 2013.

16) Fluent-commercially Available CFD Software Package, Product of Fluent Inc., 2005.