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Simulation
of Vehicle Soiling at Audi.
차량에
작용하는 Aerodynamic Force를 예측하기 위한 개발툴로서 확고히 자리잡은
CFD Method는 지난 몇년간 Audi에서 차량의 오염 특성을 예측하기 위하여
사용되고 있습니다. 관심은 어떻게 주변환경 - 물, 눈 혹은 먼지 - 으로부터의
입자가 부착되고, 쌓이고, 차와 그 근처의 표면으로 이동되는지입니다.
이런 현상의 일반적인 예는 Wind Screen으로부터 Side Window로의 물의
흐름, 빗물의 흐름, Wing Mirror의 표면 오염 혹은 Boot Lid 뒷 표면에서의
먼지의 퇴적 등입니다. 최근까지의 활동은 우선적으로 STAR-CD에서
이상유동 모델이 이런 어플리케이션에 적당한지의 여부를 평가하는 것에
초점이 맞춰져왔습니다. 그 결과는 이 글에 나타나 있습니다.
이
오염현상을 시뮬레이션하는 첫번째 도전은 액상 및 고상의 물리적 현상에
대한 정확한 묘사와 대기에서의 두 상의 상호반응에 대한 적절한 모델링입니다.
* size- and velocity-distributions of rain drops;
* modelling
of snow and its properties;
* impact behaviour of rain drops
on solid surfaces;
* deposition and accumulation of solid
particulate (eg. dirt, snow) on solid surfaces;
* liquid-film
formation and transport;
* primary break-up of liquid films
due to aerodynamic forces;
* characterising the droplets
generated at the road surface and at the wheels due to vehicle motion.
이러한
이슈들은 차량 오염을 성공적으로 모델링하고 시뮬레이션하는데 필요한
요소들입니다.
Audi에서 적용된 방법론에서 오염문제는 Gas와 Liquid/Solid Phase 사이의 One-way Coupling을 이용해 해석됩니다. 다시 말해서 Liquid/Solid Phase는 Gas Phase에 의해 영향을 받지만 반대로는 그렇지 않다는 말입니다. 이런 식으로, 수치적 Overhead는 상대적으로 작게 유지가 되고, 따라서 계산은 Liquid/Solid Phase만 수행되게 되며, Gas Phase는 "Frozen" 됩니다. STAR에 존재하는 Two-Phase Model - Two-Phase Lagrangian과 Liquid Film 둘다 - 은 실험으로부터 얻어낸 차량 설정을 통해 적용되고, 해석의 결과는 실험결과와 정성적인 방법으로 비교됩니다.
그림 1은 차량 표면에서의 빗물간의 상호작용에 대한 예측을 평가할 수 있는 예입니다. 왼쪽 그림의 풍동실험 결과는 앞쪽 범퍼 표면으로부터 떨어져서 진행방향으로 오는 공기유동과 상호작용하여 상승하고 표면에 되튀겨지는 물방울들의 존재를 보여준다. 시뮬레이션에서 물방을들은 실험으로부터 얻어진 크기와 속도분포를 초기조건으로 가진 Standard Lagrangian Formulation에 따라 모델링되었습니다. 표면에서의 그들의 상호작용은 STAR에서 가능한 Bai에 의해 개발된 모델에 기초를 두고 있습니다. 시뮬레이션 결과의 해석은 실험적으로 관찰된 현상이 정성적으로 예측되며, 정량적이고 좀 더 자세한 예측이 진행중입니다. 여기서 차량 표면에서의 Liquid Film의 형성은 고려하지 않았습니다.
이러한 현상들에 대한 연구는 그림 2에서 예시한 바와 같이 수행되고 있습니다. 실험에서와 같이 시뮬레이션에서도 Liquid Film은 Upstream에서 비롯된 액적의 충돌을 통해 차량의 표면에 쌓이게 됩니다. 그리고나서 Film은 Aerodynamic Force의 영향 아래 발달하며, 따라서 차량 표면을 가로질러 이동됩니다. Film Distribution의 많은 정성적 특징은 Separation Bubble과 Bonnet 위의 Audi Ring의 Downstream에서 적층된 Film과 마찬가지로 Headlamp와 Inlet Grille 사이의 Local Film-Thickness Maxima와 같은 시뮬레이션에 의해 잘 나타납니다. Film 모델은 통계적으로 Averaged Film으로 나타내며 따라서 실험에서 관찰되는 Water Streak을 포착할 수 없습니다. 더우기 이러한 경향은 시뮬레이션 모델에서 포함하고 있지 않은 Trim의 작은 형상적 특징과 Gasket, 미세한 표면 속성과 매우 종속적입니다.
또한 흥미로운 것은 차량의 후미쪽의 오염은 차량 하부와 Wheel로부터의 미세입자의 부착으로부터 발생된다는 점입니다. 그림 3은 두개의 다른 직경을 가진 입자들에서 입자의 충격량을 정규화시킨 수에 의해 표현된 Audi A2의 후방 해치에서의 오염 패턴을 보여줍니다. 그림에서 보이는 바와 같이 작은 입자들은 차량의 항적과 후방 해치의 표면으로의 충격에에 의해 부착됩니다. 좀더 큰 입자들은 충분한 Momentum을 가지고 있어서 후방 해치를 벗어나는 공기의 흐름에 의해 편향되지 않습니다.
현재 이러한 조사는 단지 액적의 수송과 적층이나 차량 주위의 미립자와 같은 Liquid Phase의 비정상 상태만을 고려합니다. Large-Scale Turbulent Motion을 포함한 비정상 상태의 공기 흐름의 상호작용과 그 액적은 차후에 조사되어야 할 것입니다. 더우기 오염현상에 대한 정확한 모델링의 필수조건은 실제 도로와 같은 상황에서의 Two-phase 경계 조건에 대한 정확한 표현입니다. 즉 다시 말해서 도로에서의 Liquid Film으로부터의 액적의 분해 및 타이어 표면, 차량의 Upstream에서의 Two-phase Wake 같은 조건에 대한 표현이 필요합니다. 이러한 이유로 차량 오염을 예측하는 것은 앞으로 꽤 의미있는 도전이 될 것입니다.
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