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문제 정의
- 실험에 사용된 모델은 실제 운전이 가능한 국내 H사의 NF Sonata이며, 실제와 똑같은 운전조건에서 실험이 이루어졌다. 본 실험에서는 제상 모드 조건하에서 자동차 실내의 환기 유동과 제상 노즐을 빠져나오는 공기 흐름을 연구하였다.
- 본 연구에서는 제상모드에서 대한 실차 실내 환기흐름을 알아보고 제상 노즐에서 토출되는 공기흐름의 유동특성을 연구하였다. 본 연구를 위해 실차의 일부를 투명창으로 개조하여 실험모델로 사용하고 PIV 시스템을 이용하여 환기유동의 속도장을 실험적으로 측정하였다.
제안 방법
- 1) 실제 운전상황과 똑같은 제상모드 환기조건에서 실차의 탑승공간 내부 실내 환기흐름과 패널에 위치한 제상 노즐에서 토출되는 공기흐름의 유동특성을 분석하였다.
- 자동차 내부에 위치한 카메라는 추적입자로 둘러쌓이게 되어, 카메라 보호를 위해 렌즈 부위를 제외하고 랩 호일로 감싸두었다. 각각의 제상 노즐에서 토출되는 제트 유동의 영상을 획득하기 위해 카메라를 특정 위치에 고정시키고, 레이저 시트를 이동시켜 각 노즐에서 나오는 유동의 입자영상을 취득하였다. 카메라와 연결된 선은 자동차바닥에 위치한 배출 구멍을 통해 바깥으로 빼냈으며, 문을 닫고 실제 상황과 똑같은 환기조건에서 실험을 수행하였다.
- 강화유리를 사용하여 빛의 왜곡을 줄이고, 실험과정에서 붙은 추적입자를 쉽게 제거할 수 있었다. 또한, 차량 내부로 추적입자를 주입하고 차량 내부에 장착한 계측정비와 연결된 전선 등을 차량 외부로 빼내기 위한 통로를 차체바닥에 만들었다. 자동차 외장의 일부분을 제외하고는 실차 그대로를 사용하였기 때문에 실제 주행에도 문제가 없는 상태이다.
- 1은 본 실험에 사용하기 위해 일부 개조한 실차와 실험장치를 찍은 사진을 보여주고 있다. 레이저평면 광을 조사하기 위하여 차량의 천정 부위를 제거하고, 차량내부유동을 카메라로 촬영할 수 있게 조수석 쪽의 앞문과 뒷문, 앞쪽 휀다(fender) 부위를 제거하였다. 제거된 부분은 고강도의 강화유리로 대체하여 차량 내부가 잘 보이도록 개조하였다.
- 여러 대의 CCD 카메라를 일정 간격으로 배치하고 동기장치를 이용하여 유동장 전체를 동시에 측정하는 이러한 실험기법은 대면적의 측정단면에 대한 유동영상을 취득할 수 있으며, 카메라 렌즈에 기인한 영상왜곡도 크게 줄일 수 있다. 본 실험에서는 3대나 4대의 카메라를 측정영역에 따라 정사각형이나 일자형태로 배치하였다. 카메라 한 대의 관측영역(field of view)을 26×26 cm2로 설정하였으며, 4대의 카메라를 정사각형으로 배치한 경우 전체 측정영역의 크기는 50×50 cm2이다.
- 본 실험에서는 자동차 탑승공간 전체의 환기 유동과 제상 노즐에서 토출되는 제트 유동의 속도장을 측정하였다. 자동차 실내 전체의 환기유동의 경우, 측정범위가 넓어 한 대의 카메라로 전체를 찍을 경우 입자 영상의 크기가 너무 작아 개개의 입자들을 구분하지 못하고 광학적 왜곡 현상도 발생하게 된다.
- 본 연구에서는 제상모드에서 대한 실차 실내 환기흐름을 알아보고 제상 노즐에서 토출되는 공기흐름의 유동특성을 연구하였다. 본 연구를 위해 실차의 일부를 투명창으로 개조하여 실험모델로 사용하고 PIV 시스템을 이용하여 환기유동의 속도장을 실험적으로 측정하였다. 본 연구를 통해 얻은 실험결과는 수치적 해석 연구에 필요한 검증 데이터로 환기유동과 관련된 중요한 설계자료로 사용되어질 것으로 기대된다.
- 자동차 외장의 일부분을 제외하고는 실차 그대로를 사용하였기 때문에 실제 주행에도 문제가 없는 상태이다. 본 연구에서는 이렇게 가시화 실험용으로 개조된 실차를 이용하여 실제 상황에서와 똑같이 시동을 걸고 제상 모드를 작동시킨 후, 유동이 정상상태에 도달하면 실험을 수행하였다. 환기 유동의 속도장은 Fig.
- 본 연구에서는 제상 모드에 대한 환기흐름의 유동특성을 정확하게 해석하기 위해 실차를 개조하여 실험모델로 사용하고 자동차 내부 환기유동의 속도장을 PIV 기법으로 측정하였다. 실험에 사용된 모델은 실제 운전이 가능한 국내 H사의 NF Sonata이며, 실제와 똑같은 운전조건에서 실험이 이루어졌다.
- 본 실험에서는 200 mJ Nd:YAG 레이저, 4대의 2k ×2 k CCD 카메라, 영상처리장치, 제어 및 계산용 컴퓨터, 동기장치 등으로 구성된 PIV 시스템이 사용되었으며, 공기유동의 추적입자로는 지름이 1~5 µm인 올리브 오일을 사용하였다. 여러 광학부품들을 거쳐 형성된 두께 1 mm 레이저 평면광(light sheet)을 차량의 천정을 통해 수직방향으로 탑승공간 내부를 조사하였다.
- 여러 대의 CCD 카메라를 동시에 사용한다 하여도 실제 차량 내부를 한꺼번에 측정하기는 어렵다. 이에 따라 본 연구에서는 거대화상 PIV 시스템을 이송시켜가며 자동차 실내를 여러 부분으로 나누어 속도장을 측정하였다.
- 앞서 설명한 바와 같이, 측정영역이 A-pillar에 의해 가로막혀 제상 노즐에서 토출되는 유동을 차체 외부에서 가시화할 수 없었다. 이에 따라 카메라를 자동차 내부에 집어넣고 전면유리를 따라 이송시켜가면서 제트 유동을 측정하였다. 제상 노즐에서 토출된 제트유동은 전면유리를 따라 빠른 속도로 올라가며, 노즐 바로 윗부분에서 최고 속도(2.
- 자동차 실내 전체의 환기유동의 경우, 측정범위가 넓어 한 대의 카메라로 전체를 찍을 경우 입자 영상의 크기가 너무 작아 개개의 입자들을 구분하지 못하고 광학적 왜곡 현상도 발생하게 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고해상도 CCD 카메라 여러 대를 설치하고 이들을 동기시켜 넓은 관측영역의 입자영상을 취득하였다(8). 여러 대의 CCD 카메라를 일정 간격으로 배치하고 동기장치를 이용하여 유동장 전체를 동시에 측정하는 이러한 실험기법은 대면적의 측정단면에 대한 유동영상을 취득할 수 있으며, 카메라 렌즈에 기인한 영상왜곡도 크게 줄일 수 있다.
- 3은 자동차 내부에 설치된 카메라와 그 이송 장치를 보여주고 있다. 자동차의 구조물에 의해 가로막혀 가시화되지 않는 제상 노즐로부터 토출되어 전면 유리를 따라 움직이는 유동을 가시화하기 위해, Fig. 3에서와 같이 자동차 실내에 고정시킨 상하좌우 조절이 가능한 이송장치에 CCD 카메라를 장착하여 측정하였다. 카메라는 운전석 쪽에서 보조석 쪽으로 향하게 고정하였으며 보조석 쪽에 위치한 제상 노즐에서 토출되는 유동을 측정하였다.
- 2에 나타낸 것처럼 운전석의 중앙단면과 자동차 전체의 중앙단면, 조수석의 중앙단면 등 3개의 수직 단면에서 측정하였다. 제상 노즐에서 토출되는 제트 유동에 대한 실험에서는 전체 14개의 sub-nozzle 중 5개의 노즐에 대해 측정하였다. 실차의 경우 유량을 총 8단계로 선택할 수 있으며, 이중 중간인 단계5로 고정하였고, 실외순환모드에서 실험을 수행하였다.
- 3에서와 같이 자동차 실내에 고정시킨 상하좌우 조절이 가능한 이송장치에 CCD 카메라를 장착하여 측정하였다. 카메라는 운전석 쪽에서 보조석 쪽으로 향하게 고정하였으며 보조석 쪽에 위치한 제상 노즐에서 토출되는 유동을 측정하였다. 자동차 내부에 위치한 카메라는 추적입자로 둘러쌓이게 되어, 카메라 보호를 위해 렌즈 부위를 제외하고 랩 호일로 감싸두었다.
- 카메라 한 대의 관측영역(field of view)을 26×26 cm2로 설정하였으며, 4대의 카메라를 정사각형으로 배치한 경우 전체 측정영역의 크기는 50×50 cm2이다. 카메라를 여러 대 사용할 경우 생기는 경계면에서의 정합문제를 해결하기 위해 각 카메라 측정영역의 10%에 해당하는 3 cm의 겹침구간을 만들어 두었다. 여러 대의 CCD 카메라를 동시에 사용한다 하여도 실제 차량 내부를 한꺼번에 측정하기는 어렵다.
- 각각의 제상 노즐에서 토출되는 제트 유동의 영상을 획득하기 위해 카메라를 특정 위치에 고정시키고, 레이저 시트를 이동시켜 각 노즐에서 나오는 유동의 입자영상을 취득하였다. 카메라와 연결된 선은 자동차바닥에 위치한 배출 구멍을 통해 바깥으로 빼냈으며, 문을 닫고 실제 상황과 똑같은 환기조건에서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 이렇게 가시화 실험용으로 개조된 실차를 이용하여 실제 상황에서와 똑같이 시동을 걸고 제상 모드를 작동시킨 후, 유동이 정상상태에 도달하면 실험을 수행하였다. 환기 유동의 속도장은 Fig. 2에 나타낸 것처럼 운전석의 중앙단면과 자동차 전체의 중앙단면, 조수석의 중앙단면 등 3개의 수직 단면에서 측정하였다. 제상 노즐에서 토출되는 제트 유동에 대한 실험에서는 전체 14개의 sub-nozzle 중 5개의 노즐에 대해 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 200 mJ Nd:YAG 레이저, 4대의 2k ×2 k CCD 카메라, 영상처리장치, 제어 및 계산용 컴퓨터, 동기장치 등으로 구성된 PIV 시스템이 사용되었으며, 공기유동의 추적입자로는 지름이 1~5 µm인 올리브 오일을 사용하였다.
- 제상 노즐에서 토출되는 제트 유동에 대한 실험에서는 전체 14개의 sub-nozzle 중 5개의 노즐에 대해 측정하였다. 실차의 경우 유량을 총 8단계로 선택할 수 있으며, 이중 중간인 단계5로 고정하였고, 실외순환모드에서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 제상 모드에 대한 환기흐름의 유동특성을 정확하게 해석하기 위해 실차를 개조하여 실험모델로 사용하고 자동차 내부 환기유동의 속도장을 PIV 기법으로 측정하였다. 실험에 사용된 모델은 실제 운전이 가능한 국내 H사의 NF Sonata이며, 실제와 똑같은 운전조건에서 실험이 이루어졌다. 본 실험에서는 제상 모드 조건하에서 자동차 실내의 환기 유동과 제상 노즐을 빠져나오는 공기 흐름을 연구하였다.
- 레이저평면 광을 조사하기 위하여 차량의 천정 부위를 제거하고, 차량내부유동을 카메라로 촬영할 수 있게 조수석 쪽의 앞문과 뒷문, 앞쪽 휀다(fender) 부위를 제거하였다. 제거된 부분은 고강도의 강화유리로 대체하여 차량 내부가 잘 보이도록 개조하였다. 강화유리를 사용하여 빛의 왜곡을 줄이고, 실험과정에서 붙은 추적입자를 쉽게 제거할 수 있었다.
성능/효과
- 2) 제상 모드에서의 환기유동은 각 측정단면마다 다른 3차원 유동특성을 보였으며, 이는 핸들과 dashboard등과 같은 자동차 실내 구조물들의 비대칭성 배치에 기인한 것으로 보인다.
- 3) 제상 노즐에서 토출되어져 나오는 제트는 각 노즐마다 유동특성이 다르게 나타났으며, 차체 중앙부근에 위치한 노즐 D에서 최고 속도값을 가지는 것으로 나타났고, 노즐 E에서는 역류현상을 보였다.
- 노즐에서의 이러한 속도변화로 큰 난류강도를 가지게 되어 제상/제습 능력을 높이는데 도움이 되는 것으로 보인다. 각 노즐마다 토출되어져 나오는 유동특성이 조금씩 다르며, 특히 노즐 E에서는 공기가 토출되는 것이 아니라 오히려 노즐쪽으로 빨려 들어가는 현상이 나타났다. 이것은 전면유리와의 노즐 사이의 간격이 다르고, dashboard의 구조가 각각 다르기 때문으로 보인다.
- A에서 D까지의 토출노즐에서는 노즐에서 빠져 나온 제트와 그로 인해 주위의 공기가 노즐쪽으로 이동하는 유동현상을 볼 수 있다. 본 연구에서 측정한 5개 노즐 중 노즐 D에서 최고 속도 (7.31 m/s)가 나타났다. Pitot-tube를 사용한 속도측정에서도 노즐 D가 최고 속도값을 가졌다.
후속연구
- 본 연구를 위해 실차의 일부를 투명창으로 개조하여 실험모델로 사용하고 PIV 시스템을 이용하여 환기유동의 속도장을 실험적으로 측정하였다. 본 연구를 통해 얻은 실험결과는 수치적 해석 연구에 필요한 검증 데이터로 환기유동과 관련된 중요한 설계자료로 사용되어질 것으로 기대된다. 본 연구를 통해 얻은 결과를 요약하면 아래와 같다.
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