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문제 정의
- 차량용 HVAC 공조설비의 온도조절 격판 변화에 따른 내부 흐름의 유동구조 변화에 대한 정량적 유동가시화 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 최근 들어, 컴퓨터, 광학, 전자산업 및 화상처리기술의 급속한 발달로 인하여 PIV(Particle Image Velocimetry) 입자영상유속계 등과 같은 속도장 계측기법이 개발되어 복잡한 유동의 속도장 측정이 가능하게 되었다. 본 연구에서는 실제 차량에 사용되고 있는 HVAC 공조장치를 그대로 사용하고, 그 내부 유동에 대해 고해상도 PIV 속도장 측정기법을 적용하여 정량적인 속도장 측정 연구를 수행하여 유동정보를 측정하고, 이를 이용하여 HVAC 내부 공기흐름의 유동특성을 실험적으로 해석하였다.
- 광원으로 사용한 2-head Nd:YAG 레이저는 펄스 당출력 에너지가 125 mJ이며, 7 ns의 짧은 펄스 폭을 가지고 있기 때문에, 고속유동인 HVAC 내부의 공기흐름에 대한 정량적 가시화 실험이 가능하며 선명한 입자 영상을 취득할 수 있다. 레이저, CCD 카메라와 전체적인 실험장치를 동기화시키기 위하여 delay generator를 적용하였다.
- 순간속도장 취득을 위해 최적의 입자영상을 획득할 수 있도록 시간간격(t)을 미소 조사구간에서 추적입자 들이 적절한 이동거리를 가질 수 있도록 조절하였다. 레이저 빔은 PIV 실험에 적절한 두께와 산란강도로 실험 모델에 조사되도록 광학 렌즈를 이용하여 초점거리를 조절하였으며, 구형렌즈를 통하여 적절한 두께를 지닌 평면광이 형성되도록 하였다.
- 순간속도장 취득을 위해 최적의 입자영상을 획득할 수 있도록 시간간격(t)을 미소 조사구간에서 추적입자 들이 적절한 이동거리를 가질 수 있도록 조절하였다. 레이저 빔은 PIV 실험에 적절한 두께와 산란강도로 실험 모델에 조사되도록 광학 렌즈를 이용하여 초점거리를 조절하였으며, 구형렌즈를 통하여 적절한 두께를 지닌 평면광이 형성되도록 하였다. 본 연구에서 사용되어진 레이저 평면광의 두께는 약 1~2 mm이었다.
- 레이저 빔에 의한 산란을 최소화하고 선명한 입자영상을 얻기 위하여 실제 HVAC모델의 일부 casing 부분을 고강도 합성수지로 제작된 투명 관측창으로 교체하였다. Fig.
- 추적 입자인 올리브 오일 액적은 라스킨 노즐을 이용하여 생성시켰으며 입자의 평균직경은 약 1-2 μm가 되도록 하였다.
- 이와 같은 문제를 최소화하기 위하여 150×150 mm2의 크기의 여러 단면을 나누어 PIV 실험을 수행하였다.
- 출구 방향의 유동축을 x축, 열교환기를 지나는 하향 방향을 y축, 그리고 송풍기에서 토출되는 방향을 z축으로 정의하였다. x-y평면에서의 유동특성을 자세히 관찰하기 위하여 두 개의 단면(P1, P2)에서 속도장 측정 실험을 수행하였다. 이때, P1과 P2는 HVAC 덕트 내부 Z방향의 중심을 기준으로 동일한 간격으로 설정하였다.
- 이때, P1과 P2는 HVAC 덕트 내부 Z방향의 중심을 기준으로 동일한 간격으로 설정하였다. 자동차 운전 시와 동일한 조건에서 실험이 이루어지도록 하기 위하여, 실제 자동차에 부착되어 있는 덕트 시스템을 HVAC모듈의 출구부분에 부착하였다. CCD카메라는 레이저 평면빔과 수직되게 위치시켜 카메라와 레이저 평면광의 기울어짐에 기인하여 발생될 수 있는 오차를 최소화하였다.
- 이와 같은 문제를 최소화하기 위하여 150×150 mm2의 크기의 여러 단면을 나누어 PIV 실험을 수행하였다. 각 측정단면에 대한 좌표 정보를 이용하여 각각의 측정단면에서 측정한 속도장 결과를 수학적인 보간과정을 거쳐 하나의 전체 속도장으로 표현하였다. 그리고 수학적인 보간을 통한 결합과정에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위하여 각각의 측정단면은 약 20 mm정도 중첩하였다.
- 각 측정단면에 대한 좌표 정보를 이용하여 각각의 측정단면에서 측정한 속도장 결과를 수학적인 보간과정을 거쳐 하나의 전체 속도장으로 표현하였다. 그리고 수학적인 보간을 통한 결합과정에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위하여 각각의 측정단면은 약 20 mm정도 중첩하였다.
- 1) 실제 자동차에 사용되고 있는 실제 HVAC 모듈을 사용하여 그 내부 공기 흐름의 속도장을 실제 운전조건에서 고해상도 PIV기법을 이용하여 정량적으로 측정하고 유동특성을 해석하였다.
대상 데이터
- 레이저 빔은 PIV 실험에 적절한 두께와 산란강도로 실험 모델에 조사되도록 광학 렌즈를 이용하여 초점거리를 조절하였으며, 구형렌즈를 통하여 적절한 두께를 지닌 평면광이 형성되도록 하였다. 본 연구에서 사용되어진 레이저 평면광의 두께는 약 1~2 mm이었다.
- 각각의 측정단면에서 입자영상을 400장씩 취득하였다. 그리고 순간속도장 계산 시 미소탐색구간의 크기는 64×64 픽셀이었으며, 50% 중첩하였다.
데이터처리
- 취득한 입자 영상으로부터 순간속도장을 계산하기 위하여 2화상 상호상관 PIV기법을 적용하였다. 계산된 순간속도장 결과에서 불량벡터들을 제거하고 수학적 후처리 과정과 통계적 처리과정을 거쳐 평균속도장을 구하였다.
이론/모형
- 그리고 순간속도장 계산 시 미소탐색구간의 크기는 64×64 픽셀이었으며, 50% 중첩하였다. 취득한 입자 영상으로부터 순간속도장을 계산하기 위하여 2화상 상호상관 PIV기법을 적용하였다. 계산된 순간속도장 결과에서 불량벡터들을 제거하고 수학적 후처리 과정과 통계적 처리과정을 거쳐 평균속도장을 구하였다.
성능/효과
- Fig. 5(a)는 냉방모드에서의 와도분포를 보여주는 것으로 하류로 유동이 나아갈수록, 송풍기 출구로부터 토출된 유동이 확산되면서 형성된 전단유동에 의하여 와도값이 증가하고 있으며, x=0.095와 0.165 근처에서 반전 와류쌍을 형성하고 있는 것으로 나타났다. Fig.
- 이상의 연구결과를 바탕으로 열교환 장치를 지나는 유동에서 관찰되는 정체유동 현상은 열교환기의 열교환 성능과 밀접한 연관이 있으며, 전체적으로 열교환 성능을 감소시킬 가능성이 있는 것으로 판단된다. 즉, 엔진으로부터 차량용 공조시스템의 히터로 유입되는 가열된 냉각수의 유동이 그림에 표시한 I에서 II방향으로 흐르는 경우에 비하여, II에서 I방향으로 흐르게 하는 것이 히터의 열교환 성능향상에 유리할 것으로 판단된다.
- 이상의 연구결과를 바탕으로 열교환 장치를 지나는 유동에서 관찰되는 정체유동 현상은 열교환기의 열교환 성능과 밀접한 연관이 있으며, 전체적으로 열교환 성능을 감소시킬 가능성이 있는 것으로 판단된다. 즉, 엔진으로부터 차량용 공조시스템의 히터로 유입되는 가열된 냉각수의 유동이 그림에 표시한 I에서 II방향으로 흐르는 경우에 비하여, II에서 I방향으로 흐르게 하는 것이 히터의 열교환 성능향상에 유리할 것으로 판단된다.
- 2) HVAC 모듈 내부의 유동구조는 온도 조절용 격판의 운전조건에 따라 매우 상이한 구조를 지니고 있다. 냉방운전모드의 경우, 유동은 증발기만을 지나 차량내부의 환기덕트로 토출되고 있다.
- 3) 증발기나 히터와 같은 복잡한 형태의 구조물을 지나는 유체는 유동손실이 크며, 정체유동을 형성시키는 것으로 나타났다. 열교환 장치 주위의 유동장 결과들은 이들로 유입되는 냉각수의 유로 설계에 활용할 수 있을 것이다.
후속연구
- 32)에서는 유동이 정체되는 현상이 관찰된다. 이는 증발기와 패널 vent로 연결되는 덕트 사이에 있는 유로의 기하학적 형상과 구조적 배치로 인하여 매우 느린 유속의 정체구역이 형성되는 것으로 사료되며, 이러한 정체구역은 열교환 성능 저하와 밀접한 연관이 있으므로 HVAC 성능 개선을 위하여 해결하여야 할 것으로 생각되어진다.
- 3) 증발기나 히터와 같은 복잡한 형태의 구조물을 지나는 유체는 유동손실이 크며, 정체유동을 형성시키는 것으로 나타났다. 열교환 장치 주위의 유동장 결과들은 이들로 유입되는 냉각수의 유로 설계에 활용할 수 있을 것이다.
- 4) PIV실험을 통하여 얻어진 속도장 결과는 수치해석적 연구 결과를 비교 검토할 수 있는 자료로 활용될 수 있으며, HVAC모듈의 성능 개선에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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