첨단 시뮬레이션으로 차량 역학과 타이어 유동 정확히 모델링

라이스 대학교와 일본 와세다 대학교의 유체 역학 전문가들이 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 발전시켜 움직이는 자동차를 회전 타이어 주변 유동까지 정확하게 모델링할 수 있게 되었습니다.

그 결과는 타쿠야 쿠라이시(Takashi Kuraishi)가 제작한 비디오에서 확인할 수 있습니다. 그는 테즈두야르(Tayfun Tezduyar) 기계공학 교수의 연구실 연구원입니다.

"그는 독립형 타이어부터 시작하여 이제 차체 나머지 부분까지 계산 복잡도를 높여왔습니다."라고 2020년 라이스 연구실에 합류한 쿠라이시에 대해 테즈두야르는 말했습니다.

이 비디오는 복잡한 형상 물체 주변과 내부의 유동 역학을 모델링하기 위해 테즈두야르와 타키자와가 공동으로 이끄는 첨단 유동 시뮬레이션 및 모델링 팀이 개발한 NURBS 표면-부피 가이드 메쉬 생성 방법의 효능도 보여줍니다. NURBS는 비균일 유리 기저 스플라인(Non-Uniform Rational Basis Splines)을 의미하며, 3D 형상을 설명하고 그러한 형상을 포함하는 유체 및 구조 역학 문제의 계산 분석을 제공하는 수학적 기법입니다.

타이어가 노면과 접촉하고 구르면서 변형된다는 사실이 모델을 복잡하게 만듭니다. "우리는 실제에 가까운 자동차와 타이어 형상을 다루고 있습니다."라고 테즈두야르는 말했습니다.

방법과 자동차 시뮬레이션에 대한 자세한 설명은 지난달 Computational Mechanics 저널에 게재되었습니다. 그 후 라이스-와세다 팀은 삽화를 생생하게 보여주기 위해 비디오를 만들었습니다.

"자동차와 타이어 주변 공기 흐름 행동을 알면 공기역학적 성능을 더 잘 이해할 수 있습니다."라고 쿠라이시는 말했습니다. "이렇게 정교한 시뮬레이션은 설계와 성능 평가에서 현실적인 솔루션과 신뢰할 수 있는 답을 제공하는 데 중요합니다."

나사의 오리온 캡슐 복구 낙하산도 모델링한 테즈두야르는, 계산 분석에서 NURBS 사용이 최근 몇 년간 극적으로 증가했으며, 시스템을 모델링하는 데 필요한 메쉬 포인트 수를 줄여 효율성과 정확성을 결합했다고 말했습니다. 메쉬를 물체 주변의 유체(공기 같은) 그물망으로 생각하고, 메쉬 포인트가 3D 요소에 존재한다고 생각하세요. 포인트와 요소는 물체가 움직일 때 함께 움직입니다.

이동하는 자동차 한 모델에서 NURBS를 사용한 계산 유동 분석은 약 110만 포인트로 달성되었으며, 이는 관례적 방법에서 사용되는 수의 일부분에 불과하면서 정확성을 유지했습니다. 이는 계산 비용도 낮춥니다.

"자동차와 타이어 주위에 3D 메쉬가 있고, 타이어 표면 근처에 더 많은 포인트가 있어 더 높은 정확도가 필요한 곳에 집중됩니다."라고 그는 말했습니다. "타이어가 회전하면 포인트와 요소가 함께 회전하지만, 문제는 타이어가 회전할 때 타이어 아래의 요소들이 붕괴된다는 것입니다. 이것이 다른 방법들이 처리할 수 없는 부분입니다. 우리 방법은 이를 처리하며, 정확한 시뮬레이션을 얻는 열쇠입니다."

"시간이 지나면 자연스럽게 새로운 타이어 설계나 개선이 고려될 것입니다."라고 그는 말했습니다. "타이어 제조업체가 프로토타입 제작에 투자하기 전에 이런 유형의 시뮬레이션을 수행하는 것은 매우 유익할 것입니다. 다른 방식으로 얻기 어려운 타이어 주변 공기역학에 대한 포괄적이고 상세한 수치 데이터를 제공할 것이기 때문입니다."