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차량 공력의 해석을 위한 도구로서 CFD방법은 확고한 자리를 잡아 가고 있다. 지난 수년간 Audi에서는 CFD을 이용한 흙먼지나, 빗물 등과 같은 soiling 특성에 관하여 연구하고 있다. 대기중의 물방울, 눈 혹은 먼지와 같은 입자들이 어떻게 차의 표면과 그 주변에 붙고 누적되어 흘러 내리게 되는지에 관하여 관심을 가져왔다. 이러한 현상의 일반적인 예로는 방풍유리(wind shield)에서 옆유리창(side windows)으로 넘어가는 물, 사이드 미러(side mirro)에 쌓이는 먼지 혹은 빗물, 트렁크 뚜껑의 뒤쪽 면에 쌓이는 먼지 같은 것들이다. 최근까지 해석의 주요 쟁점은 STAR-CD에 있는 이상유동(two-phase flow)모델이 이러한 현상을 해석할 수 있는지 없는지에 대한 것이었다. 이 칼럼은 이러한 작업 중 일부 결과이다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통한 soiling현상의 해석의 주요 논점은 액상과 고상간의 물리적 현상의 정확한 모사와 이들과 공기간의 상호작용의 정확한 모델링이다. 입자해석의 정확성은 다음과 같은 요소에 영향을 받게 된다.

  - 빗물 속도의 분포와 크기
  - 눈의 속성의 모델링
  - 고체면에 떨어지는 물방울의 충돌거동의 표현
  - 고체면 위에 먼지나 눈과 같은 고체입자의 쌓임
  - 유막(liquid film)의 형성과 이동
  - 공기역학적인 힘의 작용으로 인한 액막의 깨어짐 현상
  - 차가 달려감에 따라 발생하는 도로의 바닥 혹은 바퀴에서 생성되는 물방울의 특성

이러한 문제들은 차량에 있어서 풀어야 할 soiling해석의 난점이다. Audi에서 사용한 해석방법은 액상/고상은 공기에 의해 영향을 받으나 공기는 액상/고상에 의해 영향을 받지 않는 단방향(one-way) 해석방법을 사용하였다. 즉 공기측은 “frozen”되어 있고 액상/고상만을 계산함으로 계산 시간을 단축할 수 있었다. STAR-CD에 존재하는 Lagrangian two-phase 모델과 유막모델(wall film)을 실험을 수행한 차량과 같은 차량에  적용하였다. 그리고 유동해석을 통해 얻은 결과를 정성적인 방법으로 실험결과와 비교하였다. 아래에 몇 가지 결과들을 도시하였다.

     
             Figure 1: Experiment and simulation of rain soiling of the Audi A2

Fig. 1은 차량의 표면과 빗물의 상호작용을 예측/평가한 연구에서 발췌한 예제이다. 왼쪽 그림은 차량으로 들어오는 유동과 표면으로부터 다시 튕겨져 나온 물방울과의 상호작용으로 발생한 범퍼 앞쪽에 빗물 기둥을 보여주고 있다. 유동해석은 실험에서 얻은 속도 분포와 크기를 입구/출구의 조건으로 사용했으며, 액적(droplet)은 표준적인 Lagrangian 모델을 사용하였다. 이들 입자가 rebound, break-up, stick과 smear이 일어날지에 관한 표면에서의 상호작용은 STAR-CD에 있는 Bai에 의해 개발된 모델을 사용했다. CFD결과는 실험결과와 정성적인 관면에서 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 그리고 액적(droplet)의 양을 정량적으로도 일치시키기 위해 유동을 좀더 세밀하게 모사하려는 다양한 시도들이 현재 이루어지고 있다. 여기서 차량의 표면에 작용하는 액막(film)의 형성에 관한 항목들은 포함되어 있지 않다.
     

Soiling현상에 관한 해석과 실험이 Fig. 2에 보는 것과 같이 수행되었다. 실험에서와 마찬가지로 수치해석에 있어서도 차의 상류에서 발생한 물방울이 표면에 쌓였다. 이 액막은 공기역학적 힘에 의해 전개 되고 차량의 표면들을 따라 움직였다. 헤드램프와 전면부 그릴사이에 최대액막이 생성되는 현상이나 본네트에 있는 Audi의 로고 링의 뒤쪽(down stream)에 생기는 액막의 적층 현상과 박리기포(separation bubble)와 같은 현상을 수치해석에서 잘 예측하고 있다. 필름 모델(film model)은 평균적인 액막의 두께를 나타냄으로 줄무늬와 같은 형태의 통계적인(stochastic) 성향을 가지는 streak현상은 모사되지 않았다. 더욱이 이러한 streak현상은 다분히 트림되어진 국소적인 형상이나 가스킷 혹은 미시적인 표면의 물성치에 좌우됨으로 수치해석에는 정확하게 모사되기에는 어려움이 있다. 바퀴와 차량의 underhood를 따라 이동한 입자들이 차량의 후류로 솟아오르는 현상은 매우 흥미롭다. Fig. 3은 Audi A2의 뒷 트렁크 근방에서의 soiling의 패턴을 보여주고 있다. Fig. 3의 값들은 두 가지 지름의 입자들로 분리하여 표면에 부딪히는 개수를 정규화하여 나타낸 것이다. 그림에서 분명하게 볼 수 있듯이 크기가 비교적 적은 입자들은 후류를 따라 이동하게 되고 이로 인해 뒷 트렁크에 부착되는 현상을 관찰 할 수 있다. 반면에 큰 입자들은 입자자체의 관성이 충분히 큼으로 공기 유동에 의해 뒷 트렁크에 부딪힐 만큼 경로가 변경되지 않았다.
       

현재 이 연구는 차량주위에 액적의 이동과 쌓임이라는 액상의 비정상 거동만을 고려한 것이다. 큰스케일(Large-scale)의 난류 유동을 포함하는 비정상 상태의 공기와 액적의 상호작용은 이후 연구에서 반드시 포함되어야 하는 중요한 요소들이다. 더욱이 soiling현상의 정확한 모사를 위한 중요한 요소는 실제적인 도로에 관한 경계조건의 정확한 모사이다. 실제적인 도로라는 것은 도로 상 혹은 타이어에 존재하는 액막(liquid film)로부터 발생하는 미세액적(atomization)이나 차량에 의한 발생하는 이상(two-phase) 후류를 말한다. 이러한 이유들로 인해 당분간 soiling의 해석은 많은 어려움과 도전해 볼만한 과제로 남을 것이다.

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