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문제 정의
- 본 연구에서는 실제 자동차의 현품 HVAC 모듈을 이용하여 송풍기 주위 유동에 실제와 같은 조건으로 적용하여, 다양한 운전조건에서 송풍기 주위 흐름의 유동 특성을 고해상도 CCD카메라를 적용한 첨단 P1V 속도장 측정기법을 이용하여 실험적으로 연구하고자 한다.
제안 방법
- CCD 카메라의 해상도는 20462048 pixels이며, 초당 15프레임까지 촬영할 수 있으며, 프레임 straddling 기법을 이용하여 한 번에 2프레임씩 쌍으로 유동 영상을 취득하였다. 최적의 실험조건을 찾기 위해 예비실험을 수행하여 영상 획득 조건을 결정하였는데, 본연구에서는 4fjjs로 입자 영상을 획득하였다.
- PIV 속도장 측정시스템을 이용하여 실제 자동차와 동일한 조건 하에서 HVAC 공조 시스템의 핵심부품인 송풍장치 내부 유동의 속도장을 측정하고 유동 특성을 분석한 본 연구를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 이때 CCD 카메라는 조사된 평면광과수직되 게 배치하였으며, 산란된 입자 영상을 취득하기 위하여 85mm 매크로 렌즈를 CCD 카메라 전방에 부착하였다. 관측창(field of view)의 크기는 약 7cm><7cm이며, 송풍장치의 스크롤 전체 단면을 Fig. 4와 같이 9개의 소구간으로 나누어 속도장을 측정하였다.스크롤 내부를 지나는 흐름의 3차원 유동구조를 관찰하기 위하여 Fig.
- 실험장치는 실제 자동차의 현품 HVAC 모듈을 그대로 사용하였으며, 스크롤 부분은 유동가시화 실험을 위해 투명아크릴로 제작하였다. 그리고 송풍장치의 토출부와확산되는 형상의 덕트가 만나는 설부(cut-ofQ 부위는 실제 HVAC 의 송풍장치 형상과 일치하도록 제작하였다. 이밖에 차량 내부의 열교환기, HVAC 내부배플 및 토출덕트에 기인한 유동부 하와 동일한 효과를 가지는 부하장치를 제작하여 실험장치 에 적용하였다.
- 58 인 중앙 단면(center plane)과 좌 . 우방향으로 일정 거 리 이격된 위치(z/w=0.95, 0Q4)의 입구측(shroud) 단면, 바깥쪽(hub) 단면에서 PIV 실험을 수행하였다.
- 이때 실험조건에 따른 회전수와 유량은 타코메타와 터빈식 유량계를 이용하여 계측하였다.
- 그리고 송풍장치의 토출부와확산되는 형상의 덕트가 만나는 설부(cut-ofQ 부위는 실제 HVAC 의 송풍장치 형상과 일치하도록 제작하였다. 이밖에 차량 내부의 열교환기, HVAC 내부배플 및 토출덕트에 기인한 유동부 하와 동일한 효과를 가지는 부하장치를 제작하여 실험장치 에 적용하였다.
- Nd:Yag 레이저의 노출 시간은 약 7ns이며, 에너지 레벨은 펄스 당 125mJ 이 다. 측정하고자 하는 유동단면을 광학 거울과 원통형 렌즈(cylindrical lens)들을 적절히 조합하여 얇은 레이저 평면광(laser sheet)으로 조사하고 추적 입자(tracer particles)에 의해 산란된 유동 영상을 CCD카메라로 획득하였다. 이때 CCD 카메라는 조사된 평면광과수직되 게 배치하였으며, 산란된 입자 영상을 취득하기 위하여 85mm 매크로 렌즈를 CCD 카메라 전방에 부착하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한PIV 시스템은 2-headNd:Yag 펄스 레이저, 고해상도CCD 카메라, 제어 및 계산용 컴퓨터, 그리고 동기장치로 구성되어 있다. CCD 카메라의 해상도는 20462048 pixels이며, 초당 15프레임까지 촬영할 수 있으며, 프레임 straddling 기법을 이용하여 한 번에 2프레임씩 쌍으로 유동 영상을 취득하였다.
- 실제 자동차에 사용되고 있는 12볼트, 21암페어의 직류모터를 그대로 사용하여 실제와 동일한 조건으로 구동하기 위해 직류전압공급기를 사용하였다. 이때 실험조건에 따른 회전수와 유량은 타코메타와 터빈식 유량계를 이용하여 계측하였다.
- 2는 본 연구에 사용한 실험장치의 개략도와 실험배치를 보여주고 있다. 실험장치는 실제 자동차의 현품 HVAC 모듈을 그대로 사용하였으며, 스크롤 부분은 유동가시화 실험을 위해 투명아크릴로 제작하였다. 그리고 송풍장치의 토출부와확산되는 형상의 덕트가 만나는 설부(cut-ofQ 부위는 실제 HVAC 의 송풍장치 형상과 일치하도록 제작하였다.
- CCD 카메라의 해상도는 20462048 pixels이며, 초당 15프레임까지 촬영할 수 있으며, 프레임 straddling 기법을 이용하여 한 번에 2프레임씩 쌍으로 유동 영상을 취득하였다. 최적의 실험조건을 찾기 위해 예비실험을 수행하여 영상 획득 조건을 결정하였는데, 본연구에서는 4fjjs로 입자 영상을 획득하였다. Nd:Yag 레이저의 노출 시간은 약 7ns이며, 에너지 레벨은 펄스 당 125mJ 이 다.
- 추적입자로는직경이 1〜2例인올리브오일 액적을 사용하였으며, 실제 자동차에서 운전자가 선택할 수 있도록 설계되어 있는4단계의 송풍 유량과 같은 조건으로 실험을 수행하였다 본 연구에서 다룬 실험 조건을 요약하면 Table 1과 같다.
데이터처리
- CCD카메라를 통해 얻은 입자 영상에 2화상 (2-frame) 상호상관(cross correlation)기법의 속 도장추출 알고리즘을 적용하여 시로코 팬 주위 유동의 속도 장을 측정하였다 이때 미소조사구간(interro gation window)의 크기는 64x64 pixels이며, 각 구간을 50% 중첩하였다 얻어진 순간 속도장은 본 연구실에서 개발한 후 처리 프로그램(CleanVec)을 이용하여 에러벡터를 제거하고, 통계적 처리 과정을 거쳐 평균 속도장을 계산하였다.
성능/효과
- Fig. 6(d)는 유량이 Q=316n?/hr인 조건에서 속도장 결과를 나타낸 것으로 스크롤 내부에서 약 22m/s의 최 대속도값을 가졌다. 전체적 으로 유량 조건에 관계 없이 거의 유사한 유동구조를 가지는 것으로 나타났다.
- 1) 스크롤 내부 흐름을 스크롤 각도, 반경 방향 거리, z축 방향 위치 에 따라 유동구조가 크게 변화하는 3차원 유동이며, PIV결과는 pitot관으로 측정한 속도 값과 5% 범위 내로 잘 일치 하였다.
- 2) 블레이드 팁으로부터 나오는 유동은 나선형 (spiral)형태로 스크롤 내부로 배출되며, 하류로나 아갈수록 지속적 으로 블레이 드로부터 유입 되는 유동에 의해 유속이 증가하였다. 회전하는 블레 이드에 의한 원심력 에 기인하여 유체가 스크롤 외 벽 쪽으로 향하게 되며, 스크롤 외벽 부근의 영역에서는 하류로 나아감에 따라 점진적으로 유속이 감소하는 것으로 나타났다.
- 3) 회전축(z)을 따른 스크롤 내부 유속 변화는 스크롤 각도가 커질수록 증가하였으며, 특히 입구측 (shroud)단면과 중앙단면 사이 구간에서 속도 값이 크게 변동하였다. 이 같은 속도 변동은 반경 방향 거리가 증가하여 스크롤 외벽으로 나아갈수록 감소하였다.
- 전체적인 유동구조는 쉬라우드 측 단면과 중앙단 면에서 관찰한 유동구조와 유사한 패턴을 가지는 것으로 나타났다. 3개의 측정 단면 모두 설부영역에서 유속이 감소하고 있지만, 쉬라우드 단면 (z/w=0.95)과 중앙단면(z/w=0.58)의 설 부 부근에서의 유속 감소가 두드러진 것으로 나타났다.
- 4) 송풍기의 출구부에 위치한 설부는 유속을 감소시키고 송풍기 효율을 저하시키는 요인으로 나타났다.
- 블레이드를 거쳐 스크롤 내부로 유입된 공기는 회전하는 팬에 기인한 원심력의 영향으로 하류로나 아갈수록 유선이 점차 스크롤면 쪽으로 나선형으로 나아가는 유동구조를 보여주고 있다. 그리고 블레이드를 통해 공기가 스크롤 내부로 유입되고, 지속적으로 유체에너지가 공급되므로 스크롤 내부에 서 하류로 나아갈수록 유동 에 너지 가 추가되 므로블레이드 끝단 가까운 영역에서 속도가 빠른 것으로 나타났다. 반면에 스크롤 바깥쪽 벽면 근처에서는 하류로 나아갈수록 유속이 감소하는 형태를 보여주고 있다.
- 5는 스크롤 각도가。=360。와 300。인 횡 단면에서 z축 방향으로 피토관을 일정 간격으로 이동시키면서 측정한 속도분포이다. 동일한 스크롤 각도에서 z축방향 위치에 상관없이 블레이드팁 가까운 A 지점에서 측정한 속도가 스크롤 벽면에 인접한 C 지점의 속도에 비해 빠른 것으로 나타났다. 이것은 빠르게 회전하는 블레이 드를 통하여 유입되 는 공기
- 6(d)는 유량이 Q=316n?/hr인 조건에서 속도장 결과를 나타낸 것으로 스크롤 내부에서 약 22m/s의 최 대속도값을 가졌다. 전체적 으로 유량 조건에 관계 없이 거의 유사한 유동구조를 가지는 것으로 나타났다. 그리고 같은 유량 조건에서 중앙단면(z/w=0.
- 전체적으로 5%이 하의오차를 가지나 작은 스크롤 각도 하에서 상대적으로 큰 오차율을 가지는 것으로 나타났다. 이것은 스크롤 내부 주유동 속도에 대한 팬 내부로 들어 오는 유동의 z축 방향 속도 성분의 비가 상대 적으로 커서 복잡한3차원 유동이 형성되고 이에 따라 큰 측정 오차를 발생시키는 것으로 판단된다.
- 58)에서 유량을 변화시키면서 측정한 평균 속도장 분포를 나타낸 것이다. 전체적인 유동구조 및 속도분포는 앞서 기술한 쉬라우드 구측 단면과 크게 차이나지 않으나, 고속유동의 영역이 상대적으로 감소한 것으로 나타났다. 이것은 입구 측 단면에 비해 상대적으로 낮은 운동량을 가진 유체 유동이 블레이드를 통하여 스크롤 내부로 유입되는 것에 기인한 것으로 판단되어 진다.
- O4)에서 획득한 평균 속도장 결과를 나타낸 것이다. 전체적인 유동구조는 쉬라우드 측 단면과 중앙단 면에서 관찰한 유동구조와 유사한 패턴을 가지는 것으로 나타났다. 3개의 측정 단면 모두 설부영역에서 유속이 감소하고 있지만, 쉬라우드 단면 (z/w=0.
- 유동에 의해 유속이 증가하였다. 회전하는 블레 이드에 의한 원심력 에 기인하여 유체가 스크롤 외 벽 쪽으로 향하게 되며, 스크롤 외벽 부근의 영역에서는 하류로 나아감에 따라 점진적으로 유속이 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이에 따라 차량 내부의 온도 습도 및 통풍을 제어 하는 HVAC(Heating Ventilating Air Conditioning) 공조시스템과 자동차 내부 환기 유동에 대한 관심이 증대되고 있다.')차량의 쾌적성을 향상시키기 위해서는 HVAC 공조시스템의 성능 향상이 필수적이며, 이를 위해 송풍장치 내부의 유동특성을 정확히 파악하는 연구가 선행되어야 한다.
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