[논문]3차원 방열기 모델을 이용한 엔진냉각 해석

이영림

문제 정의

본 연구에서는 방열기를 통과하는 공기 속도 분포의 불균일도 가 방열기의 방열 특성 및 방열기 입구의 냉각수 온도에 미치는 영향을 해석하였다. 이를 위해, 먼저 엔진룸 유동을 해석하여 방열기 통과 풍량 및 풍속 분포를 얻고 이를 각각 1 차원 냉각시스템 해석 프로그램과 Pervaiz 등의 3차원 방열기 모델을 이용하여 방열기 입구 온도를 결정하였다.
본 연구에서는 실제 차량 설계에서 사용될 수 있는 좀 더 개선된 냉각설계 모델을 개발하고자 한다. 이를 위해 엔진룸 CFD 모델 개발 시 가급적 기 하학적 특성을 자세히 모델링하였고 냉각팬 모델 시 기존의 운동량 소스(momentum source) 를 이용하는 것보다 더 정확도를 높인 rotating reference frame(3)을 사용하였다.

가설 설정

온도를 구하였다. 또한 불균일도가 엔진냉각에 미치는 영향을 알아보기 위하여 방열기 전면속도가 균일하다고 가정한 경우도 고려하였다.
엔진룸 모델의 경우, 입구에서의 난류 강도는 입구 유속의 5%, 혼합길이는 차량 높이의 10%로 가정하였다. 차량이 공회전하는 경우의 외부경계 조건은 차량이 매우 넓은 실내에 있다고 가정하여 벽 조건을 사용하였는데 이를 위해 계산영역을 주행 시보다 2배가량 넓혔다.
차량이 공회전하는 경우의 외부경계 조건은 차량이 매우 넓은 실내에 있다고 가정하여 벽 조건을 사용하였는데 이를 위해 계산영역을 주행 시보다 2배가량 넓혔다. 방열기 모델에서의 전면 공기 속도분포는 엔진룸 해석으로부터 구하였고 전면 공기 온도 분포는 환경 풍동에서 실차를공회전, 중속(60km/h), 고속(130krrmh) 상태로 운전하면서 측정하였다.

제안 방법

.해석프로그램")에 사용하여 방열기 입구온도를 예측하였다. 따라서 이 모델에는 냉각풍 속 분포의 불균일 도가 고려되지 않았다.
1) Rotating reference frame 및 불균일도를 고려하여 정확도가 개선된 차량 엔진 냉각설계 모델을 개발하였다. 또한 3차원 엔진룸 모델과 1차원 엔진 냉각시스템 해석 모델을 3차원 방열기 모델을 통하여 성공적으로 연계하였다.
Ecer 등me 3차원 유동해석을 통하여 방열기 통과 풍속분포를 얻은 후, 방열기 각각의 면적 요소에 1 차원 시스템 모델을 적용하여 방열기 통과풍속의 불균일 도가 고려된 엔진 냉각 해석을 수행하였다. 하지만 그들의 결과에서 불균일도의 효과는 따로 언급되지 않고 최종적인 방열기 입구에서의 냉각수 온도만이 실험 결과와 비교되었다.
엔진 발열량 중 냉각수로의 방열량은 실차 상태에서 엔진 입출구 온도 차 및 냉각수 유량을 직접 측정하여 결정하였다. 냉각수 유량은 터빈 블레이드 형식의 유량계를 직접 방열기 입구로 들어가는 고무호스의 중간부를 자른 후에 연결하여 측정하였고 온도는 열전대를 방열기 입출구에 직접 삽입하여 측정하였다. Table 1에 본 해석에 사용된 방열기 전면에서의 평균 공기 온도, 엔진 입출구 온도 차 및 냉각수 유량을 나타내었다.
이 때, Pervaiz 등의 모델은 상용 소프트웨어 STAR-CD⑸의 사용자 서 브루틴을 통하여 프로그램하였다. 다음으로, 냉각시스템 해석 프로그램에서 1차원 방열기 모델 대신 3차원 방열기 모델로 대체하여 냉각풍 속 분포의 불균일도 가 고려된엔진냉각계 해석을 수행하였다. 해석은 공회전, 중속, 고속인 세 가지 경우에 대해 이루어졌다.
따라서 이 모델에는 냉각풍 속 분포의 불균일 도가 고려되지 않았다. 두 번째 모델에서는 엔진룸 유동해석을 통하여 방열기 통과 풍속분포를 구한 다음, Pervaiz 등(2)의 3차원 방열기 모델을 이용하여 방열량을 해석하였다. 이 때, Pervaiz 등의 모델은 상용 소프트웨어 STAR-CD⑸의 사용자 서 브루틴을 통하여 프로그램하였다.
개발하였다. 또한 3차원 엔진룸 모델과 1차원 엔진 냉각시스템 해석 모델을 3차원 방열기 모델을 통하여 성공적으로 연계하였다.
이를 위해 엔진룸 CFD 모델 개발 시 가급적 기 하학적 특성을 자세히 모델링하였고 냉각팬 모델 시 기존의 운동량 소스(momentum source) 를 이용하는 것보다 더 정확도를 높인 rotating reference frame(3)을 사용하였다. 또한 냉각풍속분포의 불균일도 가 방열기의 방열 특성 및 냉각수 온도에 미치는 영향을 정량화하였고 효율적인 냉각설계 모델을 위해 엔진룸 모델과 엔진 냉각모델의 직접적인 연계를 이루었다.
먼저 방열기 모델을 검증하기 위하여 방열기 성능시험에서 얻은 방열량과 해석 모델에서 얻은 방열량을 전면 풍속 및 냉각수 유량을 변화시켜가며 비교하여 보았다. 다음으로 실제 차량에서 불균일 도가 냉각수의 방열기 입구온도에 미치는 영향을 고찰하였고 끝으로 풍동 실험 결과와의 비교를 통하여 수치 해석 모델의 타당성을 입증하였다.
먼저 엔진룸 유동해석을 통하여 방열기 전면에서의 풍속 분포를 구하고 이를 3차원 방열기 모델의 입구 조건으로 사용하여 방열기 입구에서의 냉각수 온도를 구하였다. 또한 불균일도가 엔진냉각에 미치는 영향을 알아보기 위하여 방열기 전면속도가 균일하다고 가정한 경우도 고려하였다.
차량이 공회전하는 경우의 외부경계 조건은 차량이 매우 넓은 실내에 있다고 가정하여 벽 조건을 사용하였는데 이를 위해 계산영역을 주행 시보다 2배가량 넓혔다. 방열기 모델에서의 전면 공기 속도분포는 엔진룸 해석으로부터 구하였고 전면 공기 온도 분포는 환경 풍동에서 실차를공회전, 중속(60km/h), 고속(130krrmh) 상태로 운전하면서 측정하였다. 이때 방열기 전면에서 약 12개의 열전대를 이용하여 온도를 측정한 다음이의 평균치를 사용하였다.
이때 방열기 전면에서 약 12개의 열전대를 이용하여 온도를 측정한 다음이의 평균치를 사용하였다. 엔진 발열량 중 냉각수로의 방열량은 실차 상태에서 엔진 입출구 온도 차 및 냉각수 유량을 직접 측정하여 결정하였다. 냉각수 유량은 터빈 블레이드 형식의 유량계를 직접 방열기 입구로 들어가는 고무호스의 중간부를 자른 후에 연결하여 측정하였고 온도는 열전대를 방열기 입출구에 직접 삽입하여 측정하였다.
열교환기(방열기 및 응축기)는 다공성 매질로 처리하였고 Vafai and Tien⑹이 제안한 다음식을 사용하였다.
두 번째 모델에서는 엔진룸 유동해석을 통하여 방열기 통과 풍속분포를 구한 다음, Pervaiz 등(2)의 3차원 방열기 모델을 이용하여 방열량을 해석하였다. 이 때, Pervaiz 등의 모델은 상용 소프트웨어 STAR-CD⑸의 사용자 서 브루틴을 통하여 프로그램하였다. 다음으로, 냉각시스템 해석 프로그램에서 1차원 방열기 모델 대신 3차원 방열기 모델로 대체하여 냉각풍 속 분포의 불균일도 가 고려된엔진냉각계 해석을 수행하였다.
5는 동일한 냉각 풍량에 대하여, 불균일도에 따라 방열기 방열 특성 곡선의 변화를 보여준다. 이때 불균일도는 실제 차량이 고속으로 주행할 때의 풍속 분포를 바탕으로 표준편차를 증감 시켜 그 값을 조절하였고 방열율 변화는 불균일 도가 0일 때, 즉 균일한 풍속일 때의 방열율을 기준으로 하였다. 결과에서처럼 방열율은 불균일 도가 증가함에 따라 점차 감소하며 불균일도가 0.
이를 위해 엔진룸 CFD 모델 개발 시 가급적 기 하학적 특성을 자세히 모델링하였고 냉각팬 모델 시 기존의 운동량 소스(momentum source) 를 이용하는 것보다 더 정확도를 높인 rotating reference frame(3)을 사용하였다. 또한 냉각풍속분포의 불균일도 가 방열기의 방열 특성 및 냉각수 온도에 미치는 영향을 정량화하였고 효율적인 냉각설계 모델을 위해 엔진룸 모델과 엔진 냉각모델의 직접적인 연계를 이루었다.
이를 위해, 먼저 엔진룸 유동을 해석하여 방열기 통과 풍량 및 풍속 분포를 얻고 이를 각각 1 차원 냉각시스템 해석 프로그램과 Pervaiz 등의 3차원 방열기 모델을 이용하여 방열기 입구 온도를 결정하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
일반적으로 방열기 성능시험은 풍속이 균일한 풍동에서 이루어지는데 먼저 방열기 모델의 경계조건으로 균일한 풍속분포를 가정하여 방열기 모델이 풍동시험 결과를 재현하는지 알아 보았다. Fig.
첫 번째 모델에서는 엔진룸 유동해석으로부터 평균 통과 풍량만을 방열기 성능시험 데이터로부터 방열량을 구하는 1차원 엔진 냉각시스템 .해석프로그램")에 사용하여 방열기 입구온도를 예측하였다.
다음으로, 냉각시스템 해석 프로그램에서 1차원 방열기 모델 대신 3차원 방열기 모델로 대체하여 냉각풍 속 분포의 불균일도 가 고려된엔진냉각계 해석을 수행하였다. 해석은 공회전, 중속, 고속인 세 가지 경우에 대해 이루어졌다.

대상 데이터

Henk13)는트럭 엔진 냉각 해석에 있어 rotating reference frame을 사용하여 팬을 해석하는 것이 운동량 소스로 가정하는 것보다 실험치에 더 근접함을 보여 주었다. 본 연구에서 고려된 차량의 경우 Fig. 3과 같이 두 개의 팬, 즉 사익(four~blade) 및 오익(five-blade)팬을 각각 모델링하였다.
보통 압력 강하 특성실험은 균일한 풍속을 구현하는 작은 풍동에 열교환기를 장착한 후 통과 풍속을 변경하면서 수행하게 된다. 본 연구에서는 실험 데이터를 1차원 함수로 curve fitting하여 응축기의 경우 a =93.62, B =167.5, 그리고 방열기인 경우 a =72.36, B =645.4를 사용하였다.
수치해석 시 유동에 영향을 줄 수 있는 기하학적 특징은 가급적 자세히 모델링하여 기하학적 모델링 오류를 최소화하였다. 엔진룸 유동을 위해 약 230만 개의 격자를 이용하였고, 방열기 모델에는 약 6 만개의 격자를 사용하였다.

이론/모형

이용하였다. 3차원 방열기 모델 이용 시, 방열기 입구의 냉각수 온도는 3차원 방열기 모델의 방열량이 실험으로 측정된 냉각수로의 방열량과 일치할 때까지 이분법 (bisection method)을 이용하여 몇 번의 반복 계산을 통하여구하였다.
본 연구에서 고려된 유체 유동은 3차원, 비압죽성, 정상 상태 난류유동으로 난류모델로는 standard k-E 모델⑸을 사용하였다.
엔진룸 및 3차원 방열기 모델 해석을 위하여 유한 체적 법을 사용하는 STAR-CD⑸ 및 사용자 서브루틴을 이용하였다. 3차원 방열기 모델 이용 시, 방열기 입구의 냉각수 온도는 3차원 방열기 모델의 방열량이 실험으로 측정된 냉각수로의 방열량과 일치할 때까지 이분법 (bisection method)을 이용하여 몇 번의 반복 계산을 통하여구하였다.

성능/효과

2) 본 논문에서 고려된 차량인 경우, 냉각풍의 불균일도 는 방열기의 방열율을 약 20 - 30 W/K 정도 감소시켜 냉각수의 방열기 입구온도가 2.5 K 까지 상승함이 확인되었다.
3) 따라서 차량마다 혹은 같은 차량에서도 주행상태에 따라달라지는 불균일도의 효과는 본 연구에서와 같이 전면 개구부(front-end)나 냉각시스템 설계에 필수적으로 고려되어져야 한다.
이때 불균일도는 실제 차량이 고속으로 주행할 때의 풍속 분포를 바탕으로 표준편차를 증감 시켜 그 값을 조절하였고 방열율 변화는 불균일 도가 0일 때, 즉 균일한 풍속일 때의 방열율을 기준으로 하였다. 결과에서처럼 방열율은 불균일 도가 증가함에 따라 점차 감소하며 불균일도가 0.5일 때 약 6 % 감소함을 보여주고 있다. 이는 불균일도 50 % 그리고 냉각수량 3 kg/s일 때, 알루미늄 핀을 가진 방열기의 방열율을 약 11% 정도 감소시킨다는 Deussen의 결과와 경향이 일치한다.
비교하여 보았다. 다음으로 실제 차량에서 불균일 도가 냉각수의 방열기 입구온도에 미치는 영향을 고찰하였고 끝으로 풍동 실험 결과와의 비교를 통하여 수치 해석 모델의 타당성을 입증하였다.
8은 공회전, 중속(60km/h), 고속(130knMh) 에서 불균일도를 고려했을 때와 고려하 지 않았을 때의 방열율 변화량을 보여준다. 본 연구에서 고려되어진 차량의 경우 불균일도는 주행 속도에 따라 방열기의 방열율을 약 20~30 W/K 정도 감소시키며 이는 전체 방열율이 냉각수 입구 온도예측에 상당한 영향을 끼칠 수 있다.
특히 3차원 CFD 해석을 이용한 방열기 통과풍량 예측은 꼭 거쳐야 할 설계 단계로 정착되었으며, 이렇게 예측된 통과 풍량은 엔진 냉각 해석의 정확도를 높여 결과적으로 실차시험 단계에서의 오류를 미연에 방지함으로써 개발 기간과 비용을 최소화하고 있다.

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