화물차량 군집 주행의 공력 성능 개선에 관한 실험적 연구 = Experimental investigation on the improvement of aerodynamic performance of heavy vehicle platooning

국문 초록 (Abstract)

화물차량 군집 주행의 공력 성능 개선에 관한 실험적 연구
논문제출자 김 성 호
지 도 교 수 김 정 재
최근 자율주행 기술의 급속한 발전으로 여러 대의 차량이 기존의 차간거리 확보 기준보다 짧은 이격 거리로 주행하는 군집 주행이 주목을 받고 있다. 군집 주행은 단일차량보다 복잡한 공기역학적 특성을 가지기 때문에 군집 주행의 공기역학적 효과에 대해 밝히기 위해 실험 및 CFD(Computation Fluid Dynamics) 등 다양한 연구들이 수행되었다. 하지만 대부분의 연구들은 모두 reference 차량으로 구성되어 군집에서 화물 차량의 형상을 변화시켜 수행된 연구는 매우 제한적이다. 본 연구에서는 화물차량 군집 주행에서 LV(Leading Vehicle)의 형상 변화와 유동 제어 장치 중 하나인 boat tail의 slant angle이 각 차량에 미치는 공기역 학적 특성과 유동 구조를 풍동을 통해 실험적으로 분석했다. 각 차량의 항력 분포는 로드셀을, 유동 구조는 PIV(Particle Image Velocimetry)로 정량적으로 측정했다. 군집의 차량 구성은 총 3대이며 유선형 LV를 제외한 모든 군집 차량의 형상은 모두 같다. LV 형상 변화에 따른 항력 분포는 유선형 LV 군집에서 LV 자체의 큰 항 력 저감으로 군집 평균 항력 계수가 최대 12.5% 감소했다. 유선형 LV 군집 에서 LV 바로 뒤의 FV1(Following Vehicle 1)의 항력이 최대 9.6% 증가하였 다. 평균 속도장 결과를 통해 유선형 LV 군집에서 FV1 전면부의 고속 영역 이 더 넓고 균일하게 분포하는 것을 확인했다. 위 결과로 유선형 LV가 FV1 에 강한 momentum을 전달하는 형태로 항력 증가를 유추할 수 있다. TKE(Turbulent Kinetic Energy) 분석을 통한 난류 성분 분석에서는 유선형 LV 에서 FV1 전면부의 TKE 값이 작고, 영역이 작아진 것으로 FV1 주행 안정성 이 향상될 것으로 예상할 수 있다. Boat tail의 slant angle 변화에 따른 군집 평균 항력은 모두 10°의 boat tail에 서 가장 낮았으며 차간거리 0.5L에서 4.82%, 1L에서 3.61% 감소했다. Reference 차량 후류에 큰 재순환 영역이 생기는 반면, boat tail 부착으로 후 류 및 재순환 영역의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있다. Vorticity field에 서는 boat tail 부착으로 LV 하부에서 유입된 반시계방향 와류가 억제되고 차량 상부에서 시계 방향 와류가 지배하는 형태로 유동 구조가 변화한다. vertical velocity field에서도 boat tail 부착에 따라 LV 상부에서 전체적인 downwash가 발달하는 것을 확인할 수 있다. Boat tail 각도 10°인 경우 TKE 세기가 감소하고 영역 또한 감소하여 FV1에 주행 안정성이 가장 우수할 것 으로 예측되었으며, 15°의 boat tail에서는 TKE 영역은 감소하였으나 FV1 전 면부에 강한 난류 성분이 집중된 것을 확인할 수 있다. Boat tail에 영향으로 streamwise와 vertical 방향의 fluctuation을 Reynolds stress를 통해 분석한 결과 10°의 boat tail까지 음의 두꺼운 난류 성분이 감소한다. 본 연구를 통해 군집 주행에서 차량의 형상 변화는 단독 변수가 아니며 선 행 차량과 후행 차량에 강하게 연관이 있음을 나타낸다. 이를 통해 군집에서 공기역학적 효율성을 높이기 위한 연구는 이러한 복잡한 상호작용을 고려하 여야 함을 강조한다. 위 결과를 통해 화물차량 군집 자율 주행에서 탄소 중 립 및 연료 효율성을 높이는데 직접적으로 기여할 수 있으며, 신뢰도가 높은 실험적 연구를 통해 추후 CFD의 validation data로 활용 가능할 것으로 기대 된다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 약 어 설 명 ⅶ
• 국 문 요 약 ⅷ
• 1. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 2
• 1.3 연구 목적 4
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1 외부 유동과 공력에 대한 이론 5
• 2.2 풍동 실험에 대한 이론 8
• 3. 결과 및 고찰 11
• 3.1 화물차량 군집 주행의 선두 차량 형상 변화를 통한 공력 성능 개선에 관한 실험적 연구 11
• 3.1.1 서론 11
• 3.1.2 실험 모델 및 방법 11
• 3.1.3 항력 측정 결과 12
• 3.1.4 PIV 측정 결과 13
• 3.2 화물차량 군집 주행의 boat tail slant angle 변화를 통한 공력 성능 개선에 관한 실험적 연구 24
• 3.2.1 서론 24
• 3.2.2 실험 모델 및 방법 24
• 3.2.3 항력 측정 결과 25
• 3.2.4 PIV 측정 결과 26
• 4. 결 론 43
• 참 고 문 헌 45
• ABSTRACT 48