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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 궤도차량 엔진룸내 강제대류 및 열복사를 고려한 3차원 전산해석 기법으로 엔진룸내의 방사율 및 온도조건변화에 따른 혼합열전달 및 유동특성을 파악하고, 실험을 통한 엔진룸 내부의 주요관심부위의 온도분포를 파악하여 본 보조동력장치 엔진룸의 냉각시스템 사양 결정 및 상세설계용 DATABASE 를 확보하고자 한다.
가설 설정
- 해석시 유동에 영향을 줄 수 있는 기하학적 특징은 자세히 모델링하여 오류를 최소화 하고자 하였다. APU 엔진룸내부에 대한 열 유동을 해석하기 위해서 상용 CFD 코드인 STAR-CD 를 이 용하였으며, Inlet 을 통해 유입 되는 공기는 이상기체(Ideal gas) 법칙을 따르며, 3차원 비압축성, 정상상태(Steady state) 유동으로 가정하였다.
- 방사율을 고려한 엔진룸내의 열복사 경계조건으로는 DBM(Discrete Beams Method)을 적용하여 엔진 조립체 경계표면 사이에서 복사 열전달 효과를 고려하였다. 엔진의 표면은 회체 Lambert type 과 엔진 조립체의 모든 벽면 방사율은 균일하다고 가정하였다. 이때 엔진의 반사율 및 투과율은 없다고 가정하였다.
- 엔진의 표면은 회체 Lambert type 과 엔진 조립체의 모든 벽면 방사율은 균일하다고 가정하였다. 이때 엔진의 반사율 및 투과율은 없다고 가정하였다.
제안 방법
- 45 m/s 를 적용하였고, 유입공기 온도는 303K 를 적용하였다. 또한 Outlet 은 대기압 조건을 적용하였다. 엔진룸에서 내부발열체인 엔진조립체는 Table 1 과 같이 단열조건 (Casel; adiabatic), 온도변화(Case2; 413K, 423K, 433K, 444K), 엔진 방사율 변화(Case3;0.
- 보조동력장치 엔진룸내부의 강제대류 및 방사율을 고려한 3차원 전산해석 기법 및 실험을 통하여 엔진주요부위의 열유동 형태와 온도변화에 따른 DATA 를 획득하였으며, 결론은 다음과 같다.
- 3 은 보조동력장치 출구부의 온도분포를 측정하기 위한 실험장치의 구성을 나타낸 것이다. 본 시스템구성은 선진 F 사의 4 행정, 공랭식 디젤엔진과 28VDC 발전기가 조립된 APU, 입력전압 및 전류변화 측정을 위해 APU 입력단과 연결된 전압계 와 전류계, 엔진측의 출력단과 연결된 battery, 엔진 회전속도 및 부하증감을 조절하는 load bank 및, data 획득장치, 엔진의 부하변동에 따른 출구 부의 온도분포를 확인할 수 있는 display, 전체적인 시스템 운용 및 제어기능을 담당하는 컨트롤러 등으로 크게 구성되어 있다.
- 엔진룸 수치해석을 위해 CATIA 에서 모델을 정리한 후 Pro-surf 를 통해 내부격자를 생성하였으며, Fig. 2 는 해석모델에 적합한 형태로 단순화 시킨 유한체적법(FVM)에 의한 계산모델 단면을 나타낸 것이다. 해석시 유동에 영향을 줄 수 있는 기하학적 특징은 자세히 모델링하여 오류를 최소화 하고자 하였다.
- 또한, 온도측정 부위별 계측온도 DATA 는 엔진 시동 후 시스템이 정상상태라고 판단된 시점인 약 10 분 후의 온도 분포 값을 이용하였다. 엔진의 부하 조절은 제어 logic 으로 program 하였으며, 제어 logic 순서는 약 5 분간 idling 상태에서 운전한 후, 무부하 상태에서부터 시작하여 엔진에 90%(260Amp), 100%(280Amp)의 부분부하를 인가하는 방식인 과도상태에서 진행하였으며, 이때 계측 값은 2 분 간격으로 출구부의 온도분포 값이 출력되도록 설정하였다.
- 2 는 해석모델에 적합한 형태로 단순화 시킨 유한체적법(FVM)에 의한 계산모델 단면을 나타낸 것이다. 해석시 유동에 영향을 줄 수 있는 기하학적 특징은 자세히 모델링하여 오류를 최소화 하고자 하였다. APU 엔진룸내부에 대한 열 유동을 해석하기 위해서 상용 CFD 코드인 STAR-CD 를 이 용하였으며, Inlet 을 통해 유입 되는 공기는 이상기체(Ideal gas) 법칙을 따르며, 3차원 비압축성, 정상상태(Steady state) 유동으로 가정하였다.
- 해석을 위한 경계조건으로 외부벽면은 단열 조건을 적용하였으며, Inlet 의 W 방향 속도 값 변수로는 1 차 설계 값인 입구유속의 -4.45 m/s 를 적용하였고, 유입공기 온도는 303K 를 적용하였다. 또한 Outlet 은 대기압 조건을 적용하였다.
대상 데이터
- 1 은 보조동력장치(APU) 엔진룸 내부 3 차원 수치해석을 위한 모델을 나타낸 것이다. 해석을 위한 모델구성은 외부공기가 유입 및 유출되는 Inlet 부, Outlet 부, 엔진룸 내부에 점선으로 표시된 엔진 및 발전기조립체(8kW 급), DC 발전기, 외부의 격실 구조물(1170X720X750mm), 배기장치, 연료 공급 장치류 등으로 크게 구성되어 있다.
이론/모형
- 수치해석방법으로는 SJMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations) 알고리즘을 사용하였으며, 대류항 차분법은 2차 정확도를 갖는 MARS (monotone advection and reconstruction scheme) 기법을 사용하였다, ' 또한 난류 모델은 벽함수(wall function)를 적용한 표준 k- ε고레이놀즈(high Reynolds number)를 사용하였다. 방사율을 고려한 엔진룸내의 열복사 경계조건으로는 DBM(Discrete Beams Method)을 적용하여 엔진 조립체 경계표면 사이에서 복사 열전달 효과를 고려하였다. 엔진의 표면은 회체 Lambert type 과 엔진 조립체의 모든 벽면 방사율은 균일하다고 가정하였다.
- 본 수치해석에 사용된 방정식으로는 연속방정식, U 방향 운동량 방정식, 난류운동에너지 방정식, 난류소산율 방정식, 에너지 방정식이다.
- 3^] 따른 Case 별 해석을 수행하였다. 수치해석방법으로는 SJMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations) 알고리즘을 사용하였으며, 대류항 차분법은 2차 정확도를 갖는 MARS (monotone advection and reconstruction scheme) 기법을 사용하였다, ' 또한 난류 모델은 벽함수(wall function)를 적용한 표준 k- ε고레이놀즈(high Reynolds number)를 사용하였다. 방사율을 고려한 엔진룸내의 열복사 경계조건으로는 DBM(Discrete Beams Method)을 적용하여 엔진 조립체 경계표면 사이에서 복사 열전달 효과를 고려하였다.
성능/효과
- Fig. 6(a) 단면의 온도분포에서는 중심부로부터 아래방향으로 위치한 부분에서 319.6K 로 주변온도분포 약 315.9K 에 비해 다소 높게 나타났으며, 이는 엔진표면 방사열로부터 가장 근접한 위치에 있기 때문이다. 또한 신선한 흡입 공기가 유입되는 상단부위에서는 306.
- 1) 강제대류와 방사열이 복합된 온도분포 및 벡터분포 비교에서는 복합열전달 조건에서 온도 및 벡터분포 크기가 증가하는 것으로 나타났다.
- 또한 부분부하를 가한 초기 시간별 온도는 상대적으로 다소 큰 증가를 보였지만, 이후 시간이 경과될수록 온도분포 증가 폭은 서서히 감소하는 경향을 나타내었다. 100% 부하조건에서 실험결과는 부하증가에 의한 엔진룸 내부 발열원의 방사열 증가로 인하여 배기그릴부위 온도가 90%부분 부하 (280Amp)에 비해 16 분까지는 급격히 상승하는 경향을 보였으며, 이후 서서히 열평형에 가까워지는 경향을 보였다.
- 2) 방사율 차이에 따른 온도분포 변화에서는 상부 출구 부근에서 온도차이가 뚜렷이 나타났으며, 상부 평균온도는 306.4K, 하부 319.3K 로 나타나 하단부가 상단부에 비해 약 12.9K 정도 높게 나타났다.
- 3) 엔진표면온도 조건변화에서는 출구 부근X 축 수평방향의 거 리변화 Dl=0~10 mm, Inlet 부근 DL= 10-20 mm, 우즉부근 Dl=20~30 mm 에서 전체평균 온도는 각각 310.4K, 305.8K, 303.7K 로 출구 측이 가장 높게 나타났다. 또한, 발전기가 장착되는 우측 부분에서 일부 공기가 정체되는 것으로 나타나 냉각팬 부착위치 선정시 공기정체가 최소화 되는 위치를 고려하여 최적설계 반영이 필요할 것으로 판단된다.
- 4) 엔진룸 상부 단면에서의 Section 별X 축 방향 X/Lh =0.2~0.8 부분의 온도분포 변화에서는 전반적으로 전영역에 걸쳐 온도가 413K 에서 443K 로 상승함에 따라 증가되는 것으로 나타났다. X/Lh =0.
- 5) 무부하 상태에서 실험한 출구부의 온도 값은 309.7K 로 나타났으며, 부분부하를 가한 시점 0 인 2 분 이후부터 온도가 317.4K 로 정상상태에 비해 약 7.7K 의 온도 상승경향을 나타내었다. 90%의 부분 부하 조건일 때의 엔진의 출력성능은 약 50rpm 정도의 감소를 보였디'
- 6) 90%부분 부하조건에서 오일팬 하부에서의 온도분포변화 값이 상부의 배기그릴부에 비해 최대 약 9.5K 정도의 차이로 높게 나타났다.
- 12 는 본 디 젤엔진 작동성 을 파악하기 위 하여 정격출력, 과도상태 조건에서 부분부하 90%(260A), 100%(280A) 적용시, 시간변화에 따른 배기그릴부 (Exhaust grill)와 엔진 오일팬(oil pan)하부에서의 온도분포 변화를 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 배기그릴부의 무부하 상태에서 측정된 출구부의 온도 값은 309.7K 로 나타났으며, 260Am 의 부분 부하를 가한 시점인 2 분 이후부터 온도가 상승하여 317.4K 로 나타났으며, 정상상태에 비해 약7.7K 의 온도 상승경향을 나타내었다. 이는 급격한 과도상태 전환으로 인해서 엔진측에서 발생되는 정격출력이 약 50 rpm 정도 감소됨을 나타내는 것이다.
- 1 위치에서 수평 방향의 거 리변화(Dl)에 따른 Section 별 온도분포를 나타낸 것이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 거리변화에 따라 일부 미소한 불균일한 온도분포가 있으나, 전반적으로 하부 Section 1 (y/Lv= 0.2) 에서온도가 낮게 나타났으며, 상단부로 갈수로 혼합대류 영향으로 온도가 다소 상승하였다. 특히 중심 부분에서 온도가 양측면에 비해 다소 높게 나타나는 것은 엔진 발열원의 중심에 위치하기 때문이며, Section 4 의 상부유동분포가 불균일한 것은 Outlet 부근과 가장 인접한 곳이기 때문이다.
- 따라서 본 방사율 차에 따른 온도분포 변화에서는 상부 유출구 부근인 좌측에서는 온도 차이가 뚜렷이 나타났으며, 상부에서는 평균온도 306.4K, 하부는 319.3K 로 나타났으며 하부가 상부에 비해 약 12.9K 정도 높게 나타났다.
- 따라서 본 부분부하 조건 과도상태에서의 배기 그릴 부와 엔진하부 오일팬에서의 온도분포 변화는 시간 증가에 따라 증가하는 경향을 나타냈으며, 90%부분 부하조건에서 오일팬 하부에서의 온도변화 분포 값이 상부의 배기그릴부에 비해 최대 약 9.5K 정도의 차이로 높게 나타났다. 본 엔진 오일 팬 하부에 설치된 열유동 차단막은 100% 부하 조건에서 오일팬의 온도상승을 최소화할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 따라서 엔진룸 내부 공기 흡입구, 플라이휠 및 실린드 헤드부위의 온도는 엔진시동 후 약 20분까지는 서서히 온도가 증가하는 경향을 보이다, 약 25 분이 경과하면서부터 주요부위는 열평형이 이루어짐을 확인할 수 있었고, 이를 통해 본 엔진룸 내부 설계요구조건에 만족하는 값으로 설계되었음을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 X 축 수평 방향의 거리 변화 Dl= 0~10, 20-30 mm 부분에서는 온도 조건이 높아질수록 비례하여 온도가 상승하는 경향을 나타났지만, Dl= 10-20 mm 부분인 Inlet 부분은 송풍기 에 의한 강제대류의 낮은 공기가 유입되고 있어, 출구부와 우측면에 비해서 온도조건에 의한 변화가 뚜렷하지 않다. 따라서 엔진표면온도 조건변화에서는 출구 부근 X축 수평 방향의 거 리변화인 Dl=0~10 mm 부분, Inlet 부근, Dl=20~30 mm 부분에서 전체 평균온도를 계산하면 각각 310.4K, 305.8K, 303.7K 로, 출구 측이 가장 높게 나타났다. 그림에서 볼 수 있듯이 우측부근인 발전기가 장착된 부분에서 공기가 일부 정체됨으로 팽각팬 부착시 이를 고려한 설계반영이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 오일팬 하부의 상승된 공기 배출 및 냉각을 위한 장치 또는 최대부하 상태에서의 가동시간 규정이 추가적으로 필요할 수도 있다. 또한 부분부하를 가한 초기 시간별 온도는 상대적으로 다소 큰 증가를 보였지만, 이후 시간이 경과될수록 온도분포 증가 폭은 서서히 감소하는 경향을 나타내었다. 100% 부하조건에서 실험결과는 부하증가에 의한 엔진룸 내부 발열원의 방사열 증가로 인하여 배기그릴부위 온도가 90%부분 부하 (280Amp)에 비해 16 분까지는 급격히 상승하는 경향을 보였으며, 이후 서서히 열평형에 가까워지는 경향을 보였다.
- 5K 정도의 차이로 높게 나타났다. 본 엔진 오일 팬 하부에 설치된 열유동 차단막은 100% 부하 조건에서 오일팬의 온도상승을 최소화할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 13 은 엔진룸 내부 주요부위의 설계요구 조건 대비 만족여부를 확인하기 위한 90%부하 (260Amp)조건에서의 실험 결과이다. 본 온도분포조건변화 실험에서 주요 관심부는 에어필터 최대흡입온도 조건이며, 30 분 경과 후의 최대값은 44℃로 나타나, 최대 허용설계 목표 값인 50℃보다 낮게 나타났으며, 약 ^ 분 이후부터 온도 평형이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 참고적으로 실린더 헤드부위는 최대 온도 값은 103℃, 엔진 작동 시 엔진흡입구분에 장착된 플라휠부로 유입되는 부위의 최대 온도 값은 71℃ 각각 나타났다.
- 8 에서 온도 분포 변화를 비교하여 나타낸 것이다. 전반적으로 전체 영역 에 걸쳐 온도가 413K 에서 443K 로 상승함에 따라서 증가하는 분포를 보였으나, X/Lh = 0.6, 구간 X축 수평 방향의 거 리변화 구간인 Dl= 16-30 mm 부근에서는 온도 증가에 따른 변화가 불균일하게 나타났다. 이는 Inlet 부에 인접한 곳으로 강제대류에 의한 저온유체의 영향이 크게 미치는 곳이며 엔진 내부 형상 불균일에 의한 것으로 사료된다.
후속연구
- 7K 로 출구 측이 가장 높게 나타났다. 또한, 발전기가 장착되는 우측 부분에서 일부 공기가 정체되는 것으로 나타나 냉각팬 부착위치 선정시 공기정체가 최소화 되는 위치를 고려하여 최적설계 반영이 필요할 것으로 판단된다.
- 미미한 실정이다. 이에 3차원 전산해석 기법을 통해 본 시스템 설계초기 단계에서부터 열유동 특성을 파악하여 냉각부품의 사양 결정 등에 요구되는 시간 및 경비의 절감시도를 꾀하여 엔진이 적정한 온도 범위 안에서 원활히 작동할 수 있도록 설계하여야 한다. 이를 위해서는 엔진표면 및 주변 배기시스템 장치에서 발생되는 열복사(thermal radiation)와 Inlet 을 통해 유입되는 강제대류와의 혼합 열전달 문제 등을 고려하여 시스템을 설계해야 한다.
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