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문제 정의
- 본 절에서는 정상상태에서의 압력강하와 비 정상상태에서의 압력 및 유속 변동 특성을 고찰하였다. Fig.
가설 설정
- 조장형 등& 은 배기시스템에서 맥동파 형태로 배출되는 배 기 가스가 소음기내로 유입되는 경우에 대하여 유동해석을 통해 소음기내의 유동특성을 파악 하였다. 해석대상이 실제 차량용 소음기란 점에서 의미가 있다고 하겠으나 경계조건에 가정치를 도입하였고 소음기내 유동특성 파악에 국한되었다. 소음기는 아니지만 Takabayashi et al.
제안 방법
- 1) 타공관을 갖는 전, 후소음기를 포함한 복잡한 실제 배기시스템에 대한 정상상태 및 비정상상태 난류유동해석을 통하여 배기시스템내 압력강하 특성과 배기가스 압력파에 의한 배기 소음 레벨을 예측하였다.
- 1차원적 엔진성능해석 결과로부터 추출한 배기가스 맥동효과를 입력조건으로 한 3차원 CFD 해석을 통하여 배기 시스템으로부터의 배기소음을 예측하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이러한 시간에 따른 압력요동 성분을 Fast Fourier Transform (FFT)을 이용하여 주파수 영역으로 바꾸고 다음의 Eq. 2를 이용하여 SPL(Sound Pressure Level) 값을 계산하였다. P'ref는 2xlO'5N/m2 이다.
- 다공성 모델링은 타공영역에서의 상세한 CFD 해석을 피하므로 정확성에서는 불리하지만 계산격자를 크게 줄일 수 있으므로 해석시간을 크기 단축시킬 수 있는 장점이 있으나 타공영역에 대한 압력강하 데이터를 실험을 통해서 얻어야 하는 불편이 있다. 3차원 CFD 해석은 다양한 배열의 타공영역도 적절히 모사할 수 있는 장점이 있고 최종 해석 결과 3차원 CFD 해석이 실험결과와 좀더 잘 일치하였으므로 수치해의 정확성과 응용성을 고려하여 타공영역을 실제 형상 그대로 모델링하는 방법을 채택 키로 하였다. 타공영역과 격벽을 제외한 소음기는 CFD 격자생성 전용 코드인 ICEM7CFD를 사용하여 다중블럭의 육면체 격자계를 구성하였다.
- Isshikl는 흡배기계를 1차원 가스동적모델로 모사하고 단순형상의 소음기 부분을 비선형모델로 계산하여 소음기내 배압 및 소음특성을 예측하였다. Blair2)는 배기관내의 비정상가스유 동을 모사하기 위해 로터리 밸브나 단일펄스를 이용한 특수 장치를 제작하였으며 이것을 단순 형 소음기와 연결하여 소음수준을 측정하였다.
- 미관 끝단의 확장관 돔 외곽표면에는 대기압 압력조건을 설정하였다. 계산 시간간격은 CFL(Courant-Friedrichs- Lewy)안정조건을 만족하면서 소음 예측 정도를 높이기 위해 엔진회전수에서 크랭크 각도 1°에 해당하는 시간으로 설정하였다. 수치해법으로는 PISO 알고리즘을 사용하였으며 대류항차분법은 2차 정확도를 갖는 MARS(Monotone Advection and Reconstruction Scheme) 기법을 사용하였다10).
- 이러한 다공성 모델링 방법과 타공들을 격자화하여 직접 3차원 CFD 해석을 하는 두 가지 경우에 모두 해석을 수행하였다. 두 방법간의 차이만을 분석하기 위해 정상상태로 가정하였으며 전소음기를 통과하는 일정유량에 대한 압력강하값을 실험과 비교하였다.
- 실험장치는 배기량 1600cc의 4기통 가솔린 엔진과 소음기를 포함하는 전 배기시스템으로 구성하였다. 또 전, 후소음기 양단에 압력 및 온도 게이지를 설치하여 압력 및 온도를 측정하였고 미관쪽에는 무향실을 만들어 소음레벨을 측정하였다. 실험에 사용된 엔진.
- Blair2)는 배기관내의 비정상가스유 동을 모사하기 위해 로터리 밸브나 단일펄스를 이용한 특수 장치를 제작하였으며 이것을 단순 형 소음기와 연결하여 소음수준을 측정하였다. 또한 1차원 비정상 가스동적모델과 CFD 코드와 통합하여 배기소음을 예측하였고 이를 시험 결과와 비교하였다. Torregrosa3)는 단순형 전소 음기(gont muffler)를 2차원 FEM을 이용하여 전달손실(TL; Transmission Loss)를 예측하였고 이를 실험데이터와 비교하였지만 정성적인 특성 만을 얻을 수 있었다.
- 한 개의 타공은 대표적으로 27개(3×3×3)의 격자로 구성하였으며 소음기내의 흡음재, 부품의 곡률, 배플판 두께 등은 무시하였다. 또한 미관 끝단에서 실제와 가까운 유동특성을 얻기 위해 수치 계산 영역으로 돔(dome)형의 계산영역을 추가하였다. 적절한 돔의 크기를 선정하기 위해 독립된 관유동 끝단에 돔을 설정하여 자유제트 유동을 해석하였다.
- 1과 같다. 배기 매니폴드와 촉매변환기를 제외한 배기시스템을 CFD 해석 영역으로 설정하였다. 출구부분의 돔 형상은 CFD해석을 위한 가상의 공간이다.
- 본 연구에서는 전소음기와 후소음기(rear mut fler)로 구성된 실제 승용차용 배기시스템의 배 기소음을 CFD 기법을 이용하여 예측하고 시험 결과와 비교하였다. 배기시스템의 입구 경계조건은 'WAVE' 코드을 이용하여 해석된 주기적인 배기가스 유량을 설정하였다. 소음기내의 상세한 3차원 유동장 및 압력을 분석하고 주요 엔진회전수에 대한 미관(tail pipe)에서의 배기소 음 특성을 예측하였다.
- 이 결과로부터 CFD 해석에 사용될 배기시스템 입구에서의 비정상상태 경계조건인 유속, 밀도, 압력 등을 추출하였다. 본 CFD 해석에서는 에너지방정식을 풀지 않으므로 입구 기준온도로써 시간평균온도만을 추출하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 전소음기와 후소음기(rear mut fler)로 구성된 실제 승용차용 배기시스템의 배 기소음을 CFD 기법을 이용하여 예측하고 시험 결과와 비교하였다. 배기시스템의 입구 경계조건은 'WAVE' 코드을 이용하여 해석된 주기적인 배기가스 유량을 설정하였다.
- 배기시스템의 입구 경계조건은 'WAVE' 코드을 이용하여 해석된 주기적인 배기가스 유량을 설정하였다. 소음기내의 상세한 3차원 유동장 및 압력을 분석하고 주요 엔진회전수에 대한 미관(tail pipe)에서의 배기소 음 특성을 예측하였다.
- 실제 엔진운전조건과 유사한 경계조건을 설정하기 위해 'WAVE' 코드를 이용하여 흡배기 시스템과 엔진실린더 모두를 포함하는 전체 엔진에 대한 엔진성능을 예측하였다. 이 결과로부터 CFD 해석에 사용될 배기시스템 입구에서의 비정상상태 경계조건인 유속, 밀도, 압력 등을 추출하였다.
- 소음기시스템에 대한 난류유동을 해석하기 위해 상용 CFD 코드인 STAR-CD를 이용하였다. 엔진은 전개(WOT) 성능으로 운전하며 엔진 회전수는 2000, 4000, 6000 RPM 세 가지를 선택하였다. 소음기 내부의 속도 및 압력장 등에 대한 초기조건으로는 완전히 수렴된 정상상태 해석 결과를 이용하였다.
- 실제 엔진운전조건과 유사한 경계조건을 설정하기 위해 'WAVE' 코드를 이용하여 흡배기 시스템과 엔진실린더 모두를 포함하는 전체 엔진에 대한 엔진성능을 예측하였다. 이 결과로부터 CFD 해석에 사용될 배기시스템 입구에서의 비정상상태 경계조건인 유속, 밀도, 압력 등을 추출하였다. 본 CFD 해석에서는 에너지방정식을 풀지 않으므로 입구 기준온도로써 시간평균온도만을 추출하여 사용하였다.
- 이 경우 실험을 통해 타공성매체를 통과하는 유량에 따른 압력강하 변화추이를 측정하여 그 결과를 CFD 해석 코드에서 사용하게 된다. 이러한 다공성 모델링 방법과 타공들을 격자화하여 직접 3차원 CFD 해석을 하는 두 가지 경우에 모두 해석을 수행하였다. 두 방법간의 차이만을 분석하기 위해 정상상태로 가정하였으며 전소음기를 통과하는 일정유량에 대한 압력강하값을 실험과 비교하였다.
- 또한 위치에 따라 평균적으로 압력이 낮아져 입구부 압력을 기준으로 각각 전소음기에서는 약 15%, 후소음기에서는 약 60%의 압력강하가 일어나고 있다. 이렇게 추출된 해석 데이터 중 3번째 사이클 한 주기에 해당하는 유동변수 값들을 이용하여 각 지점에서의 음압레벨을 계산하였다. Fig.
- 또한 미관 끝단에서 실제와 가까운 유동특성을 얻기 위해 수치 계산 영역으로 돔(dome)형의 계산영역을 추가하였다. 적절한 돔의 크기를 선정하기 위해 독립된 관유동 끝단에 돔을 설정하여 자유제트 유동을 해석하였다. 돔의 반경은 미관 부근의 재순환영역이 최소화되도록 선정했으며 미관 직경의 7배로 최종 선정하였다.
- 전체 소음기시스템에 대한 CFD해석에 앞서서 타공 영역에 대한 적절한 처리방법을 결정하기 위해 전소음기 단품만을 해석하였다. 수 백개의 아주 작은 타공들을 계산 격자화하고 해석을 수행하는 일은 많은 시간과 컴퓨터 계산용량을 요구하기 때문이었다.
- 그러나 대칭구조를 갖는 단순형상의 소음기를 대상으로 하여 타공관의 배치, 밀도 및 흡음재 효과에 대한 연구에 한정되어 있다. 조장형 등& 은 배기시스템에서 맥동파 형태로 배출되는 배 기 가스가 소음기내로 유입되는 경우에 대하여 유동해석을 통해 소음기내의 유동특성을 파악 하였다. 해석대상이 실제 차량용 소음기란 점에서 의미가 있다고 하겠으나 경계조건에 가정치를 도입하였고 소음기내 유동특성 파악에 국한되었다.
- 난류모델은 벽함수를 적용한 표준 k-ε 모델을 사용하였다. 주기적인 엔진사이클에서 수렴된 해를 구하기 위해서는 일반적으로 여러 사이클을 해석하지만 본 해석에서는 3 엔진사 이클을 계산하였다. 4장에서의 결과를 보면 3 사이클에서도 주기적인 압력장 변화특성이 나타나 어느 정도 수렴성을 만족하는 것을 보여 주었다.
- 해당 소음기시스템에 대한 주요지점에서의 압력강하 및 소음 특성을 파악하기 위한 엔진 성능을 측정하였다. 실험장치는 배기량 1600cc의 4기통 가솔린 엔진과 소음기를 포함하는 전 배기시스템으로 구성하였다.
대상 데이터
- 타공영역과 격벽을 제외한 소음기는 CFD 격자생성 전용 코드인 ICEM7CFD를 사용하여 다중블럭의 육면체 격자계를 구성하였다. 다양한 격자밀도에 대해 상온조건에서 정상상태 해석을 수행한 후 압력강하 측정치와 비교하였으며 최종적으로는 전체 소음기 시스템을 약 270, 000개의 격자로 구성하였다.
- 적절한 돔의 크기를 선정하기 위해 독립된 관유동 끝단에 돔을 설정하여 자유제트 유동을 해석하였다. 돔의 반경은 미관 부근의 재순환영역이 최소화되도록 선정했으며 미관 직경의 7배로 최종 선정하였다.
- 또 전, 후소음기 양단에 압력 및 온도 게이지를 설치하여 압력 및 온도를 측정하였고 미관쪽에는 무향실을 만들어 소음레벨을 측정하였다. 실험에 사용된 엔진.사양은 Table 1과 같다.
- 해당 소음기시스템에 대한 주요지점에서의 압력강하 및 소음 특성을 파악하기 위한 엔진 성능을 측정하였다. 실험장치는 배기량 1600cc의 4기통 가솔린 엔진과 소음기를 포함하는 전 배기시스템으로 구성하였다. 또 전, 후소음기 양단에 압력 및 온도 게이지를 설치하여 압력 및 온도를 측정하였고 미관쪽에는 무향실을 만들어 소음레벨을 측정하였다.
- 5는 배기매니폴드 이후 전체 배기시스템에서의 배압 특성에 대해 CFD 해석과 정상유동 벤치실험결과를 비교한 그림이다. 작동유체는 상온의 실내공기이며 엔진회전수에 해당하는 유량조건을 설정하였다. 실험결과와 비교할 때 최고 유량조건에서 가장 큰 편차가 났지만 평균적으로는 약 5% 정도 이내에서 해석결과와 일치하는 것으로 나타났다.
- 3차원 CFD 해석은 다양한 배열의 타공영역도 적절히 모사할 수 있는 장점이 있고 최종 해석 결과 3차원 CFD 해석이 실험결과와 좀더 잘 일치하였으므로 수치해의 정확성과 응용성을 고려하여 타공영역을 실제 형상 그대로 모델링하는 방법을 채택 키로 하였다. 타공영역과 격벽을 제외한 소음기는 CFD 격자생성 전용 코드인 ICEM7CFD를 사용하여 다중블럭의 육면체 격자계를 구성하였다. 다양한 격자밀도에 대해 상온조건에서 정상상태 해석을 수행한 후 압력강하 측정치와 비교하였으며 최종적으로는 전체 소음기 시스템을 약 270, 000개의 격자로 구성하였다.
- 한 개의 타공은 대표적으로 27개(3×3×3)의 격자로 구성하였으며 소음기내의 흡음재, 부품의 곡률, 배플판 두께 등은 무시하였다. 또한 미관 끝단에서 실제와 가까운 유동특성을 얻기 위해 수치 계산 영역으로 돔(dome)형의 계산영역을 추가하였다.
이론/모형
- 소음수준의 측정은 미관 끝단면 중심에서 45º 각도로 45cm 떨어진 지점에서 측정하였으며, CFD 해석 결과는 Eq. 1과 같이 단음원(monopole source) 이론을 적용하여 측정지점에서의 시간에 따른 압력요동값을 계산하였다.11)
- 수치해법으로는 PISO 알고리즘을 사용하였으며 대류항차분법은 2차 정확도를 갖는 MARS(Monotone Advection and Reconstruction Scheme) 기법을 사용하였다10). 난류모델은 벽함수를 적용한 표준 k-ε 모델을 사용하였다. 주기적인 엔진사이클에서 수렴된 해를 구하기 위해서는 일반적으로 여러 사이클을 해석하지만 본 해석에서는 3 엔진사 이클을 계산하였다.
- 소음기시스템에 대한 난류유동을 해석하기 위해 상용 CFD 코드인 STAR-CD를 이용하였다. 엔진은 전개(WOT) 성능으로 운전하며 엔진 회전수는 2000, 4000, 6000 RPM 세 가지를 선택하였다.
- 계산 시간간격은 CFL(Courant-Friedrichs- Lewy)안정조건을 만족하면서 소음 예측 정도를 높이기 위해 엔진회전수에서 크랭크 각도 1°에 해당하는 시간으로 설정하였다. 수치해법으로는 PISO 알고리즘을 사용하였으며 대류항차분법은 2차 정확도를 갖는 MARS(Monotone Advection and Reconstruction Scheme) 기법을 사용하였다10). 난류모델은 벽함수를 적용한 표준 k-ε 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 2) 상온 정상상태의 경우 복잡한 배기시스템 내의 압력강하특성을 정확하게 예측할 수 있었다.
- 3) CFD 해석결과에 단음원 이론을 적용하여 배기소음레벨을 분석하였으며 본 배기시스템의 경우 4000RPM 이상의 엔진회전수와 400Hz 이상의 주파수에서는 실험결과와 정량적인 비교가 가능함을 보여주었다. 그러나 2000 RPM 이 하의 엔진회전수와 400Hz 이하의 주파수에서는 의미있는 소음예측이 불가능하였다.
- 작동유체는 상온의 실내공기이며 엔진회전수에 해당하는 유량조건을 설정하였다. 실험결과와 비교할 때 최고 유량조건에서 가장 큰 편차가 났지만 평균적으로는 약 5% 정도 이내에서 해석결과와 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 소음기내 흡음재와 설계상 곡룰 을 무시한 CFD해석과 실제 소음기의 타공 부분 등이 해석 모델처럼 제작되지 않는 것을 고 려하더라도 상당히 정확한 압력강하 예측이 가능하다고 판단된다.
- 실험결과와 비교할 때 최고 유량조건에서 가장 큰 편차가 났지만 평균적으로는 약 5% 정도 이내에서 해석결과와 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 소음기내 흡음재와 설계상 곡룰 을 무시한 CFD해석과 실제 소음기의 타공 부분 등이 해석 모델처럼 제작되지 않는 것을 고 려하더라도 상당히 정확한 압력강하 예측이 가능하다고 판단된다.
- 부분적으로는 2번 챔버내에 있는 입구관 외곽의 공명 타공관을 통해 일부의 배기가스가 2번 챔버내로 유출되며 이 중 일부는 출구 타공관으로 유입되어 소음기를 빠져나가게 된다. 이상의 결과와 같이 CFD를 이용한 비정상상태 유동해석을 통하여 소음기내의 기본적인 유동특성을 파악할 수 있었다. 이런 결과를 바탕으로 유사 구조를 갖는 소음기에 대해 국부적인 유동재순환 영역이나 배압을 줄이는 내부구조물의 적절한 배치에다 한 다양한 해석을 통하여 설계최적화에 기여할 수 있으리라 생각된다.
후속연구
- 4) 배기소음에 대한 CFD 해석결과의 정확도 를 높이기 위해서는 배기시스템 입구에 설정한 주기적인 맥동유동특성의 정확도, 열전달 효과 등이 중요한 요인으로 판단되며 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 이상의 결과와 같이 CFD를 이용한 비정상상태 유동해석을 통하여 소음기내의 기본적인 유동특성을 파악할 수 있었다. 이런 결과를 바탕으로 유사 구조를 갖는 소음기에 대해 국부적인 유동재순환 영역이나 배압을 줄이는 내부구조물의 적절한 배치에다 한 다양한 해석을 통하여 설계최적화에 기여할 수 있으리라 생각된다.
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