한국음향학회지제 37 권제 5 호 pp. 285~291 (2018) https://doi.org/10.7776/ask.2018.37.5.285 pissn : 1225-4428 eissn : 2287-3775 Analysis of flow characteristics around the sunroof opening variation with sunroof deflector angle 이성원, 1 신성룡, 1 최의성, 2 이주완 1 (Sung Won Lee, 1 Seongryong Shin, 1 Eui Sung Choi, 2 and Juwan Yi 1 ) 1 현대자동차, 2 엑사코리아 (Received May 28, 2018; revised July 9, 2018; accepted September 20, 2018) 초록 : 본연구에서는차량에장착되는파노라마썬루프디플렉터의각도에따른개구부주변유동특성을분석하고공력소음에미치는영향을확인하였다. 파노라마썬루프개방후주행시공력소음을저감하기위해메쉬디플렉터를장착하는데, 후방향인기존메쉬디플렉터각도를전방향으로변경하였을때유동변화와공력소음기여도를분석하였다. 이를위하여 CAT(Computer Aided Test) 와실차풍동평가를진행하였으며, 전방경사형디플렉터에서기존디플렉터대비원활한유동의흐름과유동방향의상향으로공력소음이개선되는것을확인하였다. 전방경사형디플렉터적용시동등한원가에서공력소음을개선할수있을것으로기대된다. 핵심용어 : 바람소리, 파노라마썬루프, 메쉬디플렉터, 풍동시험, CAT (Computer Aided Test) ABSTRACT: In the present study, flow characteristics and wind noises around the sunroof opening are analyzed variation with panoramic sunroof deflector angle. A mesh deflector is attached to reduce wind noise while a car is driving with the panoramic sunroof opening. A new forward inclined type deflector was invented to improve wind noise. The effect of this new concept of mesh deflector on the open-panoramic flow characteristics and wind noises were studied with CAT (Computer Aided Test) and wind tunnel test, which shows the reduction of open-panoramic wind noises such as sunroof buffeting, sunroof booming, and turbulent noise. Therefore, the forward inclined type deflector can efficiently improve wind noise with the same production cost. Keywords: Wind noise, Panoramic sunroof, Mesh deflector, Wind tunnel test, CAT (Computer Aided Test) PACS numbers: 43.28.Ra, 43.50.Nm I. 서론 파노라마썬루프오픈시발생되는소음은크게세가지로구분할수있다. 첫째는유동가진과차체음장모드사이의헬름홀쯔공진으로발생하는드론소음, 둘째는파노라마썬루프오픈글라스또는루프가외부유동에노출되어발생하는루프부밍, 마 Corresponding author: Sung Won Lee (swlee0117@hyundai.com) NVH Development Team 1, Hyundai Motor Company, Hyundaiyeonguso-ro 150, Namyang-eup, Hwaseong, Gyeonggi-do 18280, Republic of Korea (Tel: 82-31-368-9356, Fax: 82-31-368-8229) 이논문은 2017 년도한국음향학회추계학술대회에서발표하였던논문임. 지막으로전방의썬루프디플렉터혹은후방의썬루프개구부가유동에노출되어발생하는난류소음이다. 파노라마썬루프에드론소음, 루프부밍, 후방썬루프개구부난류소음을방지하기위해서최근에는메쉬형디플렉터가널리쓰인다. 하지만이디플렉터는외부유동에노출되어썬루프오픈상태에서고속주행시때때로고객이불만할수있는난류소음을발생시킨다. 일반적으로디플렉터의높이가상승할수록드론소음, 루프부밍, 후방썬루프개구부난류소음에유리하며, 디플렉터난류소음은불리해 285
286 이성원, 신성룡, 최의성, 이주완 다. LBM 에서는 Eq. (1) 과같은지배방정식을사용하며공기입자의충돌전후과정을모사하여유동해석을수행한다. [1] fi ( x + ciδt, t + Δt) = fi( x, t) + Ci ( x, t), (1) 여기서 fi 는 i방향으로이동하는입자분포함수이 Fig. 1. Backward inclined mesh deflector (a), forward inclined mesh deflector (b). 진다. 따라서디플렉터의높이로인하여발생하는공력소음을모두만족시키기위해개발단계에서디플렉터높이의최적설정이필요하다. 본연구에서는파노라마썬루프의드론소음, 루프부밍, 썬루프구조물난류소음과상충성능인디플렉터난류소음을함께만족시키기위해전방경사형메쉬단면형상을가지는디플렉터를제안한다. 현재당사모든메쉬디플렉터는 Fig. 1(a) 와같이후방경사형구조이다. 전방경사형메쉬디플렉터는 Fig. 1(b) 와같이전방경사구조를가진다. 본연구에서전방경사형디플렉터의원리를파악하기위해 CAT(Computer Aided Test) 를수행하고, 실차에서효과를파악하기위해실차무향풍동평가를수행하였다. 풍동의암소음은 100 km/h 에서 54 db이며, Cutoff 주파수는 80 Hz이다. 또한바람소리성능이우수한전방경사형디플렉터와구조물에대하여특허 ( 제안명칭 : 가변형선루프디플렉터구조, 출원번호 : 1020170-103246) 를출원하였다. II. 본론 2.1 전방경사형디플렉터의성능연구 2.1.1 CAT 를통한공력소음영향연구전방경사형디플렉터의효과를확인하기위해상용프로그램인 Powerflow를사용하여유동해석을수행하였다. Powerflow 는 LBM(Lattice Boltzmann Method) 를사용하며 Navier Stokes Equation 을사용하는일반적인 CFD(Computational Fluid Dynamics) 와차이가있 며, C i Δt 와 Δt 는공간과시간변화량이다. 또한 RNG(ReNormalization Group) 2-equation 모델기반의 V-LES(Very-Large Eddy Simulation) 를사용하여난류유동장을계산하였다. 일반썬루프에장착되는튜브형디플렉터의공력소음해석기법은 2010년개발되었으며 [2] 파노라마썬루프에장착되는메쉬형디플렉터의공력소음해석기법은 2014년개발되었다. 본연구에서는 2014년당사에서개발한 디지털차량개발을위한파노라마썬루프바람소리 CAT 법 을활용하였다. 이 CAT 기법은메쉬형디플렉터를다공성물질 (porous media) 로가정하고디플렉터메쉬표면전후로코브라프로브를활용하여속도별압력손실특성을구하고이를다공성물질에적용하여디플렉터주위유동을모사하였다. 또한, CAT 기법개발당시시험값과비교를통하여검증하였으며, 메쉬디플렉터에서드론소음이개선되는원리로메쉬디플렉터통과후의유동상승을주요인으로추정하였다. [2] 해석모델은당사준중형해치백차종으로수행하였고, 디플렉터높이는기존높이, 1/2 높이에서후방경사형 ( 각도 -8 ), 전방경사형 ( 각도 +8 ) 으로구분하여각각수행하였다. 해석결과 Fig. 2와같이기존높이에서후방경사형과전방경사형모두드론소음이고객불만수준이하로발생하였다. 1/2 높이에서는 Fig. 3과같이전방경사형의드론소음이후방경사형대비 60 km/h 에서 10 db 개선되었으나, 두경우모두드론소음이고객불만수준을초과하는것을확인할수있다. 두가지디플렉터의성능비교를위해서우선 1/2 높이디플렉터 CAT 결과를상세분석하여드론소음의영향을살피고, 이후기존높이에서의 CAT 결과를분석하여난류소음에의영향을보기로한다. 1/2높이디플렉터에서전방경사형이후방경사형 한국음향학회지제 37 권제 5 호 (2018)
287 Fig. 2. Noise peak (db) of backward inclined type and forward inclined type at reference deflector height, CAT. 대비드론소음이개선되는원인은 Fig. 4에서확인할수있다. Fig. 4(b) 와같이전방경사형구조로인하여메쉬를통과하는유동이상승하게되며, 상승유동이실내를가진하는하강유동을약화시켜드론소음을개선시킨다. 이는당사에서수행한 2014년연구에서디플렉터의메쉬통과후유동상승이강해지는것으로설명할수있다. Fig. 4와같이 1/2 높이의전방경사형디플렉터가후방경사형대비 Z방향성분이커지는이유를확인하기위해평균유동장의유선과유속을확인하였다. 후방경사형디플렉터에서 Fig. 5(a) 와같이메쉬면을따라유동이상방향으로유도되어메쉬전방의실링면에서유동박리가발생한다. 유동박리로인하여메쉬통과전유로가좁아지고메쉬를통과하는유동이메쉬의상단부로더많이흐르게된다. 이로인하여메쉬통과후상단부유속이하단부유속보다크게되고, 시계방향의회전성분이발생한다. 이는메쉬통과후 Vortex Shedding 의회전성분인시계반대방향과역방향으로메쉬를통과한유동의상승효과를약화시키는요인이된다. Fig. 3. Noise peak (db) of backward inclined type and forward inclined type at 1/2 deflector height, CAT. (a) Backward inclined deflector (b) Forward inclined deflector Fig. 4. The Z direction velocity of backward inclined mesh deflector (a) and forward inclined mesh deflector (b). Fig. 5. Streamline and flow velocity around deflectors in average flow, 1/2 height, CAT.
288 이성원, 신성룡, 최의성, 이주완 반대로전방경사형디플렉터에서는 Fig. 5(b) 와같이메쉬의전방경사각에의해메쉬통과전유동이하방향으로유도되어더메쉬하단부유속이더높게된다. 이로인하여메쉬통과후유동의하단부유속이상단부보다높게되는유속역전현상이일어나게되고, 유속역전현상으로인하여시계반대방향의회전성분이발생한다. 이는유동이메쉬디플렉터를통과한후회전성분과동일방향으로유동의상승효과를배가하는요인이된다. 디플렉터 1/2높이에서메쉬통과전후의유속분포를자세히살펴보기위해 Fig. 6과같은위치에서속도분포를확인하였다. 차량절대높이기준으로메쉬디플렉터하단높이인 1.14 m부터 1.24 m까지속도분포를확인하였다. Fig. 6에서 (a) 는메쉬통과전속도분포위치이며, (b) 는메쉬통과후위치를, (c) 는파노라마썬루프개구부전단에서위치를나타낸다. 메쉬통과전속도분포를 Fig. 7에나타내었다. 앞에서예측한바와같이전방경사형디플렉터에서후방경사형대비하단부유속이더높은것을확인할수있다. Fig. 8에서메쉬통과후속도분포를확인할수있다. 메쉬통과전속도분포와유사하게메쉬통과후에도전방경사형디플렉터에서후방경사형대비하단부유속이더높으며, 최대유속이발생한높이또한더낮은것을확인할수있다. 최대유속이발생한높이부터디플렉터바높이까지유속분포의역전현상이나타나며이는앞에서유선을통해예측한내용과일치한다. 이러한유속역전구간이긴전방경사형에서후방경사형대비와류현상이강하게일어나게되고유동상승이강해져드론소음에유리할것으로예상된다. Fig. 9에서메쉬를통과한유동이개구부전단에도착했을때속도분포를나타내었다. 썬루프구조물에노출될수있는 1.24 m 높이까지의속도분포를보면 1.2 m 이후부터전방경사형디플렉터에서후방경사형대비유속이낮아진다. 이로인하여전방경사형디플렉터에서후방의썬루프개구부가상대적으로낮은유속의유동에노출되어난류소음과루프부밍이유리할것으로예상된다. 난류소음을자세히 Fig. 6. The location of velocity profile, 1/2height. Fig. 7. Velocity profile in front of the mesh, 1/2height, CAT. Fig. 8. Velocity profile at the rear of the mesh, 1/2height, CAT. Fig. 9. Velocity profile at the front-edge of the panorama sunroof opening, 1/2height, CAT. 분석하기위해실제차량에장착되는디플렉터의기존높이에서 CAT 결과의유속을분석하였다. 공력소음원의분류에대한 Lighthill [3] 의이론모델에따르면음향파워는속도의지수의비례하여증가한다고알려져있다. 썬루프에서발생하는난류소음은 Leadin-edge 소음과 Trailing-edge 소음으로구분 한국음향학회지제 37 권제 5 호 (2018)
289 할수있다. 디플렉터전방과썬루프개구부후방에서는구조물이유동에노출되어 Leading-edge 소음이발생한다. Leading-edge 소음원의경우쌍극타입으로음향파워는 Eq. (2) 과같이속도의 6승에비례한다. SWL ρl 2 U c 6 3. (2) 디플렉터후방에서는구조물을통과한유동의후류에서 Trailing-edge 소음이발생하며, 이소음은 4중극타입으로음향파워는 Eq. (3) 와같이속도의 8승에비례한다. SWL ρl 2 U c 8 5. (3) 차량주행속도 (~130 km/h) 의마하수를고려하였을때디플렉터전방과썬루프개구부후방에서발생하는쌍극타입의 Leading-edge 소음이난류소음의주된원인으로예상되며, 유속이감소할수록소음이개선될것을예상할수있다. 따라서기존높이에서는두가지디플렉터의난류소음을비교예측하기위해유동의유속을중점적으로살펴보았다. 차량에실제장착되고있는조건인후방경사형디플렉터의기존높이에서유선과유속을 Fig. 10(a) 에나타내었다. 후방경사형에서메쉬의후방경사로인하여유동이상방으로유도되어메쉬상단부로많이통과한다. 반대로전방경사형에서는 Fig. 10(b) 와같이유동이하방으로유도되어상대적으로메쉬하단부유속이높게된다. 이러한차이로인하여전방경사형에서후방경사형대비메쉬상단부를통과하는유동의유속이더낮은것을확인할수있다. 이러한유속차이로전방경사형디플렉터가난류소음에더유리할것으로예상된다. 기존높이에서유속분포를확인하기위해 Fig. 11 과같은위치에서차량절대높이에따른속도분포를나타내었다. Fig. 11에서 (a) 는메쉬통과전속도분포위치이며, (b) 는메쉬통과후위치를, (c) 는파노라마썬루프개구부전단에서위치를나타낸다. Fig. 12에서메쉬통과전속도분포를보면후방경사형디플렉터의메쉬상단부 (1.22 m) 유속이전방경사형대비더높은것을확인할수있다. 전방경사형에서는상단부보다하단부유속이더높은것을확인할수있는데이는앞의유선을통해예측한것과일치한다. Fig. 13에서메쉬통과후속도분포를보면전방경 (a) Backward inclined deflector Fig. 11. The location of velocity profile, reference height. (b) Forward inclined deflector Fig. 10. Streamline and flow velocity around deflectors in average flow, reference height, CAT. Fig. 12. Velocity profile in front of the mesh, reference height, CAT [Fig. 11(a)].
290 이성원, 신성룡, 최의성, 이주완 Fig. 13. Velocity profile at the rear of the mesh, reference height, CAT [Fig. 11(b)]. Fig. 14. Velocity profile at the front-edge of the panorama sunroof opening, reference height, CAT [Fig. 11(c)]. 사형디플렉터에서 1/2높이에서와같이유속역전현상이발생하지는않는다. 이로인하여전방경사형디플렉터에서도속도분포로인하여발생하는시계방향회전성분이존재한다. 이성분은메쉬통과후의 Vortex shedding 의회전방향인시계반대방향과역방향으로유동상승을약화시킨다. 하지만전방경사형에서후방경사형대비속도분포의상하단부속도차이가더적게나타나고후방경사형대비메쉬통과후의반대방향회전성분의크기가감소하게된다. 개구부전단의속도분포를보면 Fig. 14 와같이 1.19 m 이후두가지디플렉터모두유속역전구간이발생하는것을확인할수있다. 하지만전방경사형디플렉터에서후방경사형대비유속역전구간에서속도차가더큰것을확인할수있다. 따라서전방경사형디플렉터가후방경사형대비유속역전구간에서발생하는와류에의한유동상승이더클것으로예상되며후방의썬루프개구부가유동에노출되는것을더효과적으로방지할수있을것으로보인다. 이러한유동상승이루프부밍과썬루프후방개구부난류소음에미치는영향을확인하기위해실차풍동평가를수행하였다. 2.1.2 실차풍동평가를통한바람소리영향연구전방경사형디플렉터와후방경사형의바람소리성능을비교하기위해풍동평가를수행하였다. 풍동평가는실차무향풍동인 HAWT(Hyundai Acoustic Wind Tunnel) 에서당사준중형해치백차량에서파노라마썬루프를연상태로수행하였다. 실제적용가능한디플렉터의높이를고려하여기존의후방경사형디플렉터와새로고안된전방경사형디플렉터를기존높이, 5 mm 하향, 10 mm 하향, 15 mm 하향한경우에대하여평가를진행하였다. 평가시디플렉터의높이과각도는 Table 1과같다. 먼저드론소음을평가하기위해정차상태에서 130 km/h 까지속도를증가시키면서실내음의최고음압을측정하였다. 평가결과높이를 15 mm 하향한디플렉터에서후방경사형과전방경사형모두 Fig. 15와같 Table. 1. Deflector height and angle at Hyundai Acoustic Wind Tunnel test. Backward inclined Forward inclined Height (H) Angle ( ) Height (H) Angle ( ) 41 mm -8 41 mm 9 36 mm -8 36 mm 10 31 mm -8 30 mm 12 26 mm -8 25 mm 14 Fig. 15. Cabin noise Maximum SPL (db) according to deflector height, HAWT. Fig. 16. Roof booming and turbulent noise, cabin noise (dba), 130 km/h, HAWT. 한국음향학회지제 37 권제 5 호 (2018)
291 이드론소음이고객불만수준이하로발생하였다. 다음으로 Fig. 16과같이두가지디플렉터에서높이를 5 mm 낮춘경우에대하여 130 km/h 정속에서실내음을측정하고, 기존높이의후방경사형과비교하였다. Fig. 16에서후방경사형디플렉터의높이를 41 mm 에서 36 mm로낮춘경우저주파대역의루프부밍과고주파대역의난류소음이악화되는것을확인할수있다. 따라서드론소음이발생하지않는다는이유로디플렉터높이를낮추기는어렵다. 디플렉터의높이를 36 mm로고정한상태에서후방경사형디플렉터 (H = 36 mm, = -8 ) 에서전방경사형디플렉터 (H = 36 mm, = 10 ) 로변경한경우루프부밍은초기디플렉터 (H = 41 mm, = -8 ) 대비 1.2 dba 개선되며, 난류소음은동등수준인것을 Fig. 16 에서확인할수있다. 앞에서의풍동평가결과로부터전방경사형디플렉터가후방경사형디플렉터대비드론소음은동등수준인것을확인하였고, 전방경사형디플렉터가후방경사형디플렉터대비 5 mm 낮은높이에서루프부밍은개선되며난류소음은동등수준임을확인하였다. Zhang, and H. Chen, Computation of high subsonic and transonic flows by a Lattice Boltzmann Method, 54th AIAA Meeting (2016). 2. S. R. Shin, K. D. Ih, J. Cho, and M. S. Kim, Development of virtual sunroof buffeting test process using DFSS approach, FISITA Paper F2010-C-196 (2010). 3. M. J. Lighthill, On sound generated aerodynamically, Proc. the Royal Society, Series A, 211 (1952). 저자약력 이성원 (Sung Won Lee) 신성룡 (Seongryong Shin) 2009 년 2 월 : 서강대학교기계공학과학사 2011 년 2 월 : 서강대학교기계공학과석사 2011 년 1 월 : 현대자동차입사 2017 년 1 월 ~ 현재 : 현대자동차책임연구원 1995 년 2 월 : 서울대학교졸업 1997 년 2 월 : 서울대학교대학원석사 2003 년 2 월 : 서울대학교대학원박사 2003 년 3 월 ~ 현재 : 현대자동차입사, 책임연구원 III. 결론 본연구에서파노라마썬루프에전방경사형디플렉터장착시효과를확인하기위해해석과풍동평가를수행하였고, 다음과같은결론을얻었다. 해석결과후방경사형디플렉터보다전방경사형디플렉터가유동을상향으로유도하며, 이는썬루프구조물과유동의상호작용에의한소음을저감할것으로기대한다. 파노라마썬루프에전방경사형디플렉터장착시, 디플렉터의높이를하향할수있어후방경사형대비디플렉터난류소음에유리하며, 디플렉터높이하향으로인하여예상되는상충성능인드론소음, 루프부밍, 난류소음을모두만족시킬수있어파노라마썬루프차량의공력소음을저감할수있다. 최의성 (Eui Sung Choi) 2001 년 2 월 : 한양대학교기계공학과학사 2003 년 2 월 : 한양대학교기계공학과석사 2007 년 4 월 : 엑사코리아입사 2016 년 7 월 ~ 현재 : 엑사코리아이사 이주완 (Juwan Yi) 1998년 2월 : 서울대학교농공학과학사 2000년 2월 : 서울대학교정밀기계공학과석사 2000년 3월 : 기아자동차입사 2011년 11월 ~ 현재 : 현대자동차책임연구원 References 1. Y. Li, A. Jammalamadaka, P. Gopalakrishnan, R.