[논문]자동차 전면유리의 제상시스템 설계를 위한 3차원 비정상 수치해석

강신형; 이진호; 변주석

자동차 전면유리의 제상시스템 설계를 위한 3차원 비정상 수치해석
3D Unsteady Numerical Analysis to Design Defrosting System of Automotive Windshield Glass 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.15 no.5, 2007년, pp.1 - 8

강신형 (건양대학교 기계공학과) , 이진호 (연세대학교 기계공학과) , 변주석 (기술보증기금 송파기술평가센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The present research is based upon the numerical analysis of a car windshield in order to represent the optimum design guide to improve the overall defrosting performance of the system. First, the control factors that highly affect the defrosting performance of a car windshield are chosen and afterwards, the optimum variables of each control factor are extracted out to analyze its performance. The main control factors for this research are respectively, the air injection angle of a defroster nozzle, the height of a nozzle outlet, and the ratio of the width to the height of a nozzle outlet. For such case when the air inlet angle is relatively small, the flow near the vicinity of the inner face of a windshield tends to expand. As a consequence, the heat transfer rate through the windshield decreases. Also, the height of a nozzle outlet is recommended to maintain its size to minimum. However, when the ratio mentioned before is designed less than unity, the defrosting performance decreases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 상용 프로그램을 이용한 수치해석을 바탕으로 자동차 전면유리의 제상 및 제습 성능을향상시킬 수 있는 공조 시스템의 최적 설계 가이드를 확립하고자 하였다. 우선, 본 연구는 기존의 실험 및 수치적 연구를 통하여 자동차 전면유리의 제상성능에 영향을 미치는 주요 제어인자들을 선정하고, 각 제어인자들의 최적 변수에 대한 성능 분석을 하였다.
본 연구에서는 자동차 전면 유리에서 발생하는 제습 및 제상 성능향상을 위해 제상성능과 관련된 제어 인자들을 선정한 후 상용 프로그램을 이용한 수치 해석을 수행 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
확립하고자 하였다. 우선, 본 연구는 기존의 실험 및 수치적 연구를 통하여 자동차 전면유리의 제상성능에 영향을 미치는 주요 제어인자들을 선정하고, 각 제어인자들의 최적 변수에 대한 성능 분석을 하였다. 수치해석 에 사용된 상용 프로그램은 FLUENT 이며 3차원 비정상모델에 대하여 해석하였다.

제안 방법

45mm 두께의 성에층(frost layer)을 올리 고, 성 에 가 녹아가는 과정에 대한 과도 비 정상해석을 enthalpy-porosity technique 사용하여 수행하였다. Enthalpy-porosity techniquee liquid fraction을 사용하며 , 이를 통해 과도상태의 성에층에 대한 엔탈피를 계산한다. Liquid fractione 각 제어체적에 대한 액분율을 나타내는 것이다.
에너지 방정식의 해를 구하기 위해 계산이 반복될 때마다 위의 식들을 이용하여, 유동장 및 온도장해석 그리고, 성에 제거과정에 대한 비정상 해석을 수행하였다.
자동차 전면 유리 제상성능에 관한3차원 비정상 해석은 우선, 제상노즐에 관한 유동장을 먼저 해석한 후 그 결과로 얻은 제상 노즐 출구의 유동장에 관한 데이터를 차량의 입구조건으로 사용하였다. 또한, 비 정상해석은 유리 외부에 0.

대상 데이터

20세 기 를 거 치 면서 자동차의 기 술은 비약적인 발전을 이루어 고성능화 시 대를 맞이하게 되었다. 과거, 운전자들은 차량의 주행성능을 중요시 하였으나, 현재는 차량의 주행성능 뿐만 아니라 차량의 안전성, 쾌적성 및 편이성에 대한 관심이 높아져가고 있다.
미국 수출용 차량의 경우, 미국교통안전국(NHTSA)의 시험규정(2)에 따라 시험했을 때 시험실시 30분 후 가시영역 A는 전체 면적의 80%가 제상 되어야 하고 가시영역 C는 100% 제상이 되어야 한다. 본 연구에서 사용된 제어 인자들은 자동차 전면 유리의 공기의 유동 현상에 영향을 주는 노즐로부터 분사되는 공기의 분사각(6), 노즐 출구부의 높이(H) 그리고, 노즐 출구 부의 폭과 높이의 비(W/H)이다. Fig.
5 에 나타나 있다. 실제 차량 실험조건은 외부공기 온도가 -30℃, 외 기 풍속 50km/h이 고, 엔진 회 전속 도가 2000rpm이다. 3차원 비정상해석에서 사용된 공기, 유리, 그리고 성에의 물성치는Table 1에 나타나 있다
4는 3차원 비정상해석에 사용된 제상 노즐과 차량부의 격자망이다. 제상 노즐은 약 24, 000개, 차량 부분은 약 360, 000개의 비정렬 삼각형 격자로 구성되 었으며, 차량 전면 유리와 유리창의 성에는 각각 약 52,000개와 35,000개의 프리즘 (prism) 격자를 사용하였다.

데이터처리

우선, 본 연구는 기존의 실험 및 수치적 연구를 통하여 자동차 전면유리의 제상성능에 영향을 미치는 주요 제어인자들을 선정하고, 각 제어인자들의 최적 변수에 대한 성능 분석을 하였다. 수치해석 에 사용된 상용 프로그램은 FLUENT 이며 3차원 비정상모델에 대하여 해석하였다.

이론/모형

또한, 비 정상해석은 유리 외부에 0.45mm 두께의 성에층(frost layer)을 올리 고, 성 에 가 녹아가는 과정에 대한 과도 비 정상해석을 enthalpy-porosity technique 사용하여 수행하였다. Enthalpy-porosity techniquee liquid fraction을 사용하며 , 이를 통해 과도상태의 성에층에 대한 엔탈피를 계산한다.
따라서 이러한 난류의 효과를 해석하기 위해서는 난류 현상 및 난류 모델에 대한고려가 필요하다. 본 연구에서는 여러 난류 모델들 중에 표준 k-£ 난류 모델을 사용하였으며 이 모델에 관한 식 은 다음과 같다.

성능/효과

1) 제상노즐로부터 분사된 공기가 전면 유리에 부딪히는 각이 작을수록 유리 내부면 근처 유동이 실내 쪽으로 넓게 확산되어, 유리면으로의 열전달이 줄어들게 된다.
2) 노즐 출구부 높이(H)는 분사각이 클수록 작게 하는 것이 좋다. 그 이유는 노즐출구부의 높이가 낮을 경우는 노즐로부터 분사된 공기가 노즐 출구부 끝단의 영향을 받아서 유동이 자동차 실내 쪽으로 확산된 속도분포를 보인다.
3) 제상노즐 출구부의 높이(H)와 단의 폭(W)에 대한 비, W/H를 1보다 작게 설계하면, 제상성능이 떨어진다. 그 이유는 폭(W)에 대하여 높이(H)가 낮을 경우는 노즐 출구부단이 노즐로부터 분사되는 유동에 미치는 영향이 작지만, 높이(H)가 높을 경우는 노즐로부터 분사되는 공기가 노즐 출구부단의 영 향을받아 따뜻한 공기 가 유리 면으로부터 넓게 퍼져나가 공기가 전해줄 수 있는 에너지가 줄어들기 때문이다
6보다 동일 시간대에서 가시 영역 A, B, C의 liquid fraction 이 낮았다. 또한, W/H=0 인 경우(H=0)와 1.6인 경우를 비 교하면, 공조시스템 가동 후, 약 20분까지는 가시영역 C에서 W/H=1.6이 다소 좋은 성능을 보이지만 그 이후, 가시 영역 A, C 에서 제 상성 능은 W/H=0 이 다소 우수하였다.
수치해석 및 실험의 제어 인자 조건은 H=8mm,θ=20˚이다. 수치해석 결과와 실험결과를 비교해 보면, 제상 시스템 가동 15분까지 수치해석에서 나타난 결과가 비교적 실험결과와 잘 일치 하지만 실험 보다 수치 해석에서 나타난 제상시간이 다소 느리게 나타난다. 이것은 실험에서 성에층이 녹으면 물이 생기게 되고 그것이 성 에 층의 액화를 촉진하기 때문이 다.

참고문헌 (12)

B. S. AbdulNour, 'Numerical Simulation of Vehicle Defroster Flow Field,' SAE 980285, 1998
B. S. AbdulNour, 'Hot-Wire Velocity Measurements of Defroster and Windshield Flow,' SAE 970109, 1997
R. A. Brewster, S. Frick and F. Werner, 'Computational Analysis of Automotive Windshield De-icing with Comparison to Test Data,' SAE 971833, 1997
S. Roy, K. Nasr, P. Patel and B. AbdulNour, 'An Experimental and Numerical Study of Heat Transfer Off an Inclined Surface Subject to an Impinging Airflow,' International Journal of Heat Tansfer, Vol.45, pp.1615-1629, 2002

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Y. Ikeda, N. Katoh, N. Ishii and T. Kuriyama, 'Numerical Analysis of the Airflow on Windows from Defroster Nozzle (in Japanese with English summary),' Proceedings of JSAE, No. 924076, 1992
M. Sugano, T. Yamada, Y. Takesue and T. Yasuki, 'Numerical Analysis of Defroster Cleaning Pattern,' JSAE 9432912, 1994
Y. Satoh, 'Numerical Analysis of Defroster Clear-up Pattern,' JSAE Review 18, pp.57-82, 1997

상세보기
A. Alexandrov, V. Kudriavtsev and M. Reggio, 'Analysis of Flow Patterns and Heat Transfer in Generic Passenger Car Mini-environment,' Proceedings 9th Annual Conference of the CFD Society of Canada, Edition G. E. Schneider, Waterloo, ON, pp.167-173, 2001
N. G. Hur and W. K. Cho, '3-D Numerical Simulation of Flows Inside a Passenger Compartment of a Model Vehicle foer Hearting, Air-Conditioning and Defrosting Modes,' Transactions of KSAE Vol.1, No.2, pp.60-68, 1993

원문보기 상세보기
D. W. Yeon and H. T. Cho, 'Prediction Windshield Defroster Nozzle Performance through CFD,' Proceedings of the SAREK Winter Annual Conference, pp.644-649, 2001
M. Park, J. Hwang, W. Park and K. Jang, 'Numerical Study of Defrost Phenomenon of Automobile Windshield,' Transactions of KSAE, Vol.11, No.2, pp.157-163, 2003

원문보기 상세보기
Laboratory Test Procedure for FMVSS 103 Windshield Defrosting and Defogging Systems, U. S. Department of Transportation National Highway Traffic Safety Administration, 1996

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