[논문]자동차 전방 유리면 성에 전산 해빙해석

박만성; 황지은; 박원규; 장기룡

자동차 전방 유리면 성에 전산 해빙해석
Numerical Study of Defrost Phenomenon of Automobile Windshield 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.11 no.2, 2003년, pp.157 - 163

박만성 (부산대학교 기계공학과) , 황지은 (부산대학교 기계공학과) , 박원규 (부산대학교 기계기술연구소) , 장기룡 (현대자동차)

Abstract ▼ AI-Helper

This work was undertaken for the numerical analysis of defrosting phenomena of automobile windshield. To analyze the defrost, the flow and temperature field of cabin interior, heat transfer through the windshield glass, and phase change of the frost should be analyzed simultaneously. The flow field was obtained by solving the 3-D unsteady Navier-Stokes equation and the temperature field was computed by energy equation. The phase-change process of Stefan problem was solved by enthalpy method. For code validation, the temperature field of the driven cavity was calculated. The result of calculation shows a good agreement with the other numerical results. Then, the present code was applied to the defrosting analysis of a real automobile and, also, a good agreement with experiment was obtained.

주제어

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문제 정의

본 연구는 승용차 전방 유리면에 생긴 성에가 defrost 노즐에서 나오는 더운 공기에 의해 녹아 제거되는 현상을 전산 시뮬레이션하는 것으로 전방 유리면 근처의 유 동장 및 온 도장 해석과 유리면을 통한 열전달 해석, 그리고 성에의 해빙해석이 동시에 요구되어지는 매우 복잡한 전산해석 과정이 필요하따.

제안 방법

1의 A영 역이 30분 이내에 80% 이상, B 영역의 95% 이상, C 영역의 100%에 해당하는 성에가 녹아야 하는 차량 안전규정을 요구하고 있다. 따라서 이러한 규정을 만족하는 성 에 제거 시스템의 개발에 있어 기 간 단축과 효율성 측면에서 최근에는 전산 유체해석 기법을 이용하고 있으며, 본 연구에서도 전산유체해석 기법을 이용하여 defix>st노즐을 통해 분출된 고온의 공기에 의한 자동차 내부 유동 및 온 도장 해석을 수행하여 성에의 해빙 현상을 해석해 보았다. 성에의 해빙 과정은 상변화를 동반하므로 상변화 문제(Stefan program)를 수치 적으로 해석하여야 하는 데, 보통 엔탈피 방법을 이용하며 Bonacina등°과 Voller의연구결과는 엔탈피방법의 정확도가 상변화 위치에 크게 영향을 받고 있음을 밝혔고 Voller와 Cross’>는 이를 바탕으로 정확도를 개선하였다.
자동차 전면 유리창에 발생하는 성에의 defist 시뮬레이션을 위한 전산 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램의 타당성 검증을 위해 driven cavity 형상에 대해온도장해석 및 해빙해석을 수행하였으며 타 연구자와 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

비교하였다. 계산에 사용된 격자는 41x41 로서 Fig. 4는 cavity의 격자 형 상이다. Peclet수가 50일 때와 1000일 때의 온도 분포를 계산하였으며, 이들 계산 결과를 Leonard'。의 계산 결과와 Fig.
본 연구는 Fig. 2와 같은 실제 차량의 전방 유리면의 외부에 발생하는 성에 제거에 대한 연구로서 전산해석 영 역은 Fig. 3과 같이 실내, 전방 유리, 성에 막(Dost layer) 및 차량 외부 공기 영 역으로 구성된다. Defrost 노즐을 통해 나오는 고온 공기의 토출 유량, 유속 및 토출 방향 등의 데이터는 배인호 등(3)의 계산 결과를 이용하였으며, defrost 노즐을 통해 나온 공기의 실내 유 동장 분포는 강규태 등 의 계산 결과를 이용하였다.

데이터처리

식 (2) 의 에너지 방정식 코드를 검증하기 위해 driven cavity 유동을 계산하여 선행된 수치해석 결과와 비교하였다. 계산에 사용된 격자는 41x41 로서 Fig.

이론/모형

3과 같이 실내, 전방 유리, 성에 막(Dost layer) 및 차량 외부 공기 영 역으로 구성된다. Defrost 노즐을 통해 나오는 고온 공기의 토출 유량, 유속 및 토출 방향 등의 데이터는 배인호 등(3)의 계산 결과를 이용하였으며, defrost 노즐을 통해 나온 공기의 실내 유 동장 분포는 강규태 등 의 계산 결과를 이용하였다. 이들 계산 데이터는 실험이나 타 연구자의 계산 결과와 비교하여 충분히 검정이 이루어진 것들이며, 추가적인 정보와 자료는 참고문헌을 참조하기 바란다.
Fv, 는 점성 항을 의미한다. 식 (1)을 전산 방법으로 풀기 위하여 반복시간 행진법(Iterative time marching method)을 사용하였다.
전방 유리면 근처의 유 동장 해석을 위해 3차원 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 풀었다.

성능/효과

개발된 프로그램의 타당성 검증을 위해 driven cavity 형상에 대해온도장해석 및 해빙해석을 수행하였으며 타 연구자와 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 본 방법을 이용하여 실제 차량의 전방 유리면 성에 제거 예측을 위한 계산을 수행하였으며, 역시 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 계산 결과를 얻을 수 있었다.
개발된 프로그램의 타당성 검증을 위해 driven cavity 형상에 대해온도장해석 및 해빙해석을 수행하였으며 타 연구자와 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 본 방법을 이용하여 실제 차량의 전방 유리면 성에 제거 예측을 위한 계산을 수행하였으며, 역시 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 계산 결과를 얻을 수 있었다. 성에 해빙의 진전 양상은 d*oset fi 노즐의 토출 유속이 크고 온도가 큰 상방향 대각선 방향으로 제상이 진전됨을 확인할 수 있었다.
본 프로그램과 Voller')의 알고리즘은 거의 동일하나 잠열이 발생하는 부분에 있어 AH의 정의와 계산이 본 프로그램이 간편하고 계산 량이 적어서 효율적 이다. 형상과 부과된 경계조건은 Fig.
본 프로그램은 FORTRAN언어 로 작성 되었고, 계산은 PC로 수행 되었으며 Pentiumm(CPU 500MHZ) 의 성능을 가졌다. 계산 시간은 전면 유리 창의 성 에가 완전히 해빙될 때의 시간까지 대략 168시간이 소요되었다.
그리고 본 방법을 이용하여 실제 차량의 전방 유리면 성에 제거 예측을 위한 계산을 수행하였으며, 역시 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 계산 결과를 얻을 수 있었다. 성에 해빙의 진전 양상은 d*oset fi 노즐의 토출 유속이 크고 온도가 큰 상방향 대각선 방향으로 제상이 진전됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

Defrost 노즐을 통해 나오는 고온 공기의 토출 유량, 유속 및 토출 방향 등의 데이터는 배인호 등(3)의 계산 결과를 이용하였으며, defrost 노즐을 통해 나온 공기의 실내 유 동장 분포는 강규태 등 의 계산 결과를 이용하였다. 이들 계산 데이터는 실험이나 타 연구자의 계산 결과와 비교하여 충분히 검정이 이루어진 것들이며, 추가적인 정보와 자료는 참고문헌을 참조하기 바란다. 이들의 데이터를 이용하여 전면 유리창 근처에서 고온 공기의 속도 분포가 결정되면 식 (2) 를 이용하여 전면 유리창 근처의 온도 분포를 계산하고 전면 유리창과 실외의 온도 차이에 의한 열전도 현상으로 유리창을 통하여 성에에 열이 공급되며, 성에가 상변화를 일으키게 된다.

참고문헌 (16)

C. Bonacina, G. Comini, A. Fasano, M. Primicerio, 'Numerical Solutions of Phase Change Problems,' Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 16, pp.1825-1832, 1973

상세보기
V. R. Voller, M. Cross, P. Walton, Assessment of the Weak Solution Technique for Solving Stefan Problems, Numerical Methods in Thermal Problems, Pineridge Press., 1979
V. R. Voller, M. Cross, 'An Explicit Numerical Method to Track a Moving Phase Change Front,' Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.26, pp.147-150, 1983

상세보기
G. H. Meyer, 'Multi-dimensional Stefan Problems,' SIAM J. Num. Analysis, Vol.10, pp. 522-538, 1973

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N. Shamsundar, E. M. Sparrow, 'Analysis of Multi-dimensional Conduction Phase Change via the Enthalpy Model,' J. Heat Transfer, Vol. 97, pp.33-340, 1975
D. Longworth, A Numerical Method to Determine the Temperature Distribution Around a Moving Weld Pool, Moving Boundary Problems in Heat and Diffusion, Oxford Press., 1975
R. M. Furzeland, 'A Comparative Study of Numerical Methods for Moving Boundary Problems,' J. Inst, Maths Applies, Vol.26, pp. 411-429,1980

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R. E. White, 'An Enthalpy Formulation of the Stefan Problem,' SIAM J. Num. Analysis, Vol.19, pp.1129-1157, 1982

상세보기
D. M. Kang, Y. R. Jung, W. G. Park, 'Numerical Flow Analysis of the Automobile with Crosswind Effects,' Korean Society of Computational Fluid Engineering, Spring Conference Proceeding, pp.144-154, 1999
W. G. Park, Y. R. Jung, 'Numerical Viscous Flow Analysis around a High-speed Train with Crosswind Effects,' AIAA Journal, Vol.36, No.3, pp.477-479, 1998

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J. G. Lee, Y. Jiang, A. J. Przekwas, M. Sioshansi, 'Automotive Windshield Ice Clearing Analysis,' SAE International Congress and Exposition, SAE 930289, Detroit, Michigan, 1993
V. R. Voller, 'An Enthalpy Method for Convection Diffusion Phase Change,' International Journal for Numerical Method in Engineering, Vol.24, pp.271-284, 1987

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I. H. Bae, K. T. Kang, J. E. Hwang, W. G. Park, K. L. Jang, 'Numerical Study of the Design Factor for Flow Analysis of Automotive Defrost Nozzle,' Autumn Conference of KSAE, pp.578-583, 2001
K. T. Kang, I. H. Bae, J. E. Whang, W. G. Park, '3-D Numerical Analysis of Flow and Temperature Field in the Cabin of Automobile with Defrost Nozzle Discharged Air,' Korea Society of Computational Fluids Engineering, Autumn Conference Proceeding, pp.31-36, 2001
B. P. Leonard, 'A Stable and Accurate Convective Modeling Procedure Based on Quadratic Upstream Interpolation,' Comp. Meth. Appl. Mech. Eng., Vol.19, pp.59-98, 1979

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Experimental Data, Hyudai Motor Company, 2002

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