HVAC(Heating, Ventilating, Air Conditioning) 시스템은 승객실 내부의 열환경을 제어하여 쾌적성을 향상시키거나 전면 유리창에 생성된 성에를 제거하여 운전자의 가시영역을 확보하는 등 차량의 성능과 관련된 매우 중요한 기능을 담당한다. 본 연구에서는 CFX 를 사용하여 HVAC 시스템의 기능 중 제상 덕트의 성능과 관련된 수치해석적 연구를 수행하였다. 제상덕트의 해석결과, 출구에서의 유량배분특성 및 유동구조는 일반적인 설계주안점에 부합된 양호한 결과를 얻었다. 외부온도 $-18^{\circ}C$ 하에서 물의 잠열인 $3.37{\times}10^5$[J/kg]을 고려한 상변화 과정을 수치적으로 모사하기 위하여 열용량법을 사용하였고, 시간에 따른 제상패턴 해석을 위해 얼음과 유리의 고체도메인에 대한 추가적인 격자 생성 작업이 필요하였다. 유동해석 결과, 전면유리 근처의 유동구조, 유적선, 온도장 해석결과는 본 연구에서 수행한 제상덕트 모델이 우수한 성능으로 제상기능을 수행할 수 있음을 보였으며, 수치해석적 결과는 실험적 결과와 비교하여 제상패턴이 잘 일치함을 확인하였다. 또한 전면유리 상의 4 개의 지점에서 얻어진 온도, 물분율, 엔탈피의 시간에 따른 변화를 통해 상변화 과정을 정량적으로 파악하였다.
HVAC(Heating, Ventilating, Air Conditioning) 시스템은 승객실 내부의 열환경을 제어하여 쾌적성을 향상시키거나 전면 유리창에 생성된 성에를 제거하여 운전자의 가시영역을 확보하는 등 차량의 성능과 관련된 매우 중요한 기능을 담당한다. 본 연구에서는 CFX 를 사용하여 HVAC 시스템의 기능 중 제상 덕트의 성능과 관련된 수치해석적 연구를 수행하였다. 제상덕트의 해석결과, 출구에서의 유량배분특성 및 유동구조는 일반적인 설계주안점에 부합된 양호한 결과를 얻었다. 외부온도 $-18^{\circ}C$ 하에서 물의 잠열인 $3.37{\times}10^5$[J/kg]을 고려한 상변화 과정을 수치적으로 모사하기 위하여 열용량법을 사용하였고, 시간에 따른 제상패턴 해석을 위해 얼음과 유리의 고체도메인에 대한 추가적인 격자 생성 작업이 필요하였다. 유동해석 결과, 전면유리 근처의 유동구조, 유적선, 온도장 해석결과는 본 연구에서 수행한 제상덕트 모델이 우수한 성능으로 제상기능을 수행할 수 있음을 보였으며, 수치해석적 결과는 실험적 결과와 비교하여 제상패턴이 잘 일치함을 확인하였다. 또한 전면유리 상의 4 개의 지점에서 얻어진 온도, 물분율, 엔탈피의 시간에 따른 변화를 통해 상변화 과정을 정량적으로 파악하였다.
The heating, ventilating, air conditioning (HVAC) system is a very important part of an automotive vehicle: it controls the microclimate inside the passenger's compartment and removes the frost or mist that is produced in cold/rainy weather. In this study, the numerical analysis of the defrost duct ...
The heating, ventilating, air conditioning (HVAC) system is a very important part of an automotive vehicle: it controls the microclimate inside the passenger's compartment and removes the frost or mist that is produced in cold/rainy weather. In this study, the numerical analysis of the defrost duct in an HVAC system and the de-icing pattern is carried out using commercial CFX-code. The mass flow distribution and flow structure at the outlet of the defrost duct satisfied the duct design specification. For analyzing the de-icing pattern, additional grid generation of solid domain of ice and glass is pre-defined for conductive heat transfer. The flow structure near the windshield, streakline, and temperature fields clearly indicate that the de-icing capacity of the given defrost duct configuration is excellent and that it can be operated in a stable manner. In this paper, the unsteady changes in temperature, water volume fraction, and static enthalpy at four monitoring points are discussed.
The heating, ventilating, air conditioning (HVAC) system is a very important part of an automotive vehicle: it controls the microclimate inside the passenger's compartment and removes the frost or mist that is produced in cold/rainy weather. In this study, the numerical analysis of the defrost duct in an HVAC system and the de-icing pattern is carried out using commercial CFX-code. The mass flow distribution and flow structure at the outlet of the defrost duct satisfied the duct design specification. For analyzing the de-icing pattern, additional grid generation of solid domain of ice and glass is pre-defined for conductive heat transfer. The flow structure near the windshield, streakline, and temperature fields clearly indicate that the de-icing capacity of the given defrost duct configuration is excellent and that it can be operated in a stable manner. In this paper, the unsteady changes in temperature, water volume fraction, and static enthalpy at four monitoring points are discussed.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 제상 덕트 내부 유동해석을 통해 덕트의 압력강하를 구하고, 덕트 출구에서의 속도 분포를 이용하여 자동차 내부 제상모드에서의 유동구조 및 열용량법(enthalpy method)을 이용한 성에제거 과정을 수치적으로 모사하였고, 덕트 시스템이 제상 조건을 만족하는지 여부를 평가하여 이를 실험적 연구결과와 비교함으로써 연구결과의 신뢰도를 높였다.
가설 설정
외기 온도 및 초기 온도는 -18℃로 가정하였고, 유동장의 출구조건은 대기압력을 부여하였다.
제안 방법
4(a)에 나타내었다. 그림에서 유리와 성에의 두께는 실제 차량의 제원과 선행논문을 참조하여 각각 4.96mm, 0.5mm로 모델링하였고,(7) 각각의 열물성치는 표 1에 정리하였다.
선행기술한 Kim(3) 등의 연구결과에서도 언급하였듯이 덕트 출구에서의 유동특성은 운전석과 보조석에서 비대칭적으로 나타나며, 노즐 베인 사이에 공기가 전혀 방출되지 않는 부분이 존재하는 등 제상 덕트의 출구에서의 유량조건은 매우 비선형적이므로, 디아이싱 해석에서 제상 덕트의 출구조건은 덕트의 성능을 결정하는 매우 중요한 경계조건임을 알수 있다. 따라서 본 연구에서도 덕트 출구의 경계조건을 보다 정확하게 부여하기 위해 실차에 설치 되어 있는 제상덕트의 형상을 해석과정에 반영하였다(Fig. 1 참조). 제상 덕트는 운전석과 조수석, 양 측면 벤트를 포함하여 모두 4개의 출구와 하나의 입구, 그리고 균일한 유량분배를 위한 가이드 베인으로 이루어져 있다.
2에 나타난 바와 같이 전면 유리 아래쪽의 긴 두 개의 벤트와 양 측면에 존재하는 두 개의 측면 벤트를 공유하고 있다. 따라서 본 해석에서는 제상덕트 내부의 유동 해석을 통해 얻어진 4개의 벤트 경계면에서의 속도 profile을 승객실도메인에서의 입구 경계조건으로 다시 적용하여 최종적으로 승객실에서의 유동해석을 수행하는 순서로 해석을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 열용량법을 활용하여 자동차 전면 유리에서 성에제거 과정을 수치적으로 모사하였고, 이를 실험과 비교/분석하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같이 요약할 수 있다.
대상 데이터
본 연구에서 유동 도메인은 크게 제상 덕트와 승객실(passenger’s compartment)로 구성되며 덕트와 승객실은 Fig. 2에 나타난 바와 같이 전면 유리 아래쪽의 긴 두 개의 벤트와 양 측면에 존재하는 두 개의 측면 벤트를 공유하고 있다.
이론/모형
본 수치해석 연구는 아래와 같이 비정상 RANS 방정식(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes equation) 을 지배방정식으로 적용하였다.
성에의 상변화(phase change)는 엔탈피의 변화에 따라 정의할 수 있으며, 본 연구에서는 열용량법(enthalpy method)을 이용하여 시간에 따른 제상 현상을 모사하였다. 열용량법의 적용에 있어 성에가 물로 변하는 온도인 0℃을 기준 온도로 정하면 이때의 기준 엔탈피는 0 [J/kg]이 된다.
성능/효과
(1) 본 연구에서 대상으로 한 제상덕트는 비교적 균일한 유량분배 특성을 보이고 있으며, 덕트를 지나온 공기는 큰 저항 없이 전방 유리면을 따라 이동함을 확인할 수 있다.
(2) 전방유리 근처의 유적선 분포를 통해 전체적으로 공기가 도달하지 못하는 지점이 거의 없이 따뜻한 공기가 유리면 전체를 골고루 순환하였다.
(3) De-icing 패턴은 수치해석 상의 결과가 실험보다 약 5 분 정도의 시간차가 나타났지만, 성에가 녹는 패턴은 실제와 매우 유사하였다.
(4) 가열공기가 토출되는 근처에서의 열전달률은 벤트에서 멀어질수록 감소하며 이는 상변화가 일어나기 시작하는 시간과 상변화 지속시간에 큰 영향을 미치며, 동일한 열유속에 대해 상변화가 이루어지고 있을 동안 엔탈피의 변화가 상변화를 수반하지 않을 때에 비해 15 배 이상 높은 것으로 나타났다.
또한 덕트의 설치유무에 따른 출구유량의 분석결과, 덕트를 지나는 동안 유동저항을 극복하기 위해 전압이 감소되며, 그 영향으로 유량의 감소 현상이 발생한다. 그러나 적절한 가이드 베인을 설치하면 유동저항이 오히려 감소되어 유량이 증가됨에 따라 가이드 베인의 최적설계가 HVAC 제상 성능에 지배적으로 영향을 미치는 것을 실험적으로 검증하였다. Kang 등(4)은 열용량법(enthalpy method)를 이용하여 전방 유리면에서의 제상성능을 수치해석적으로 예측하였다.
5(c)는 제상벤트에서 토출되는 유동구조를 상세하게 관찰하기 위하여 유적선 형태로 표현한 그림이다. 그림에서 벤트를 지난 가열공기가 표면으로부터 박리되는 공간이 거의 없이 전방 유리면 전체적으로 균일한 분포를 나타내고 있으며, 전방 유리 아래쪽에는 벤트에서 나온 공기가 유리와 부딪히며 상대적으로 높은 압력을 형성하면서 강한 3차원 와가 발생되는 영역이 나타남을 확인할 수 있다.
물분율이 0 에서 1 로 증가하는 모든 과정은 상변화가 이루어지는 과정과 일치한다. 네 개의 Monitor point 에서 물분율은 시간에 비례하여 증가하는 경향을 보이고 있으며, 각 위치에서 물분율 증가 기울기는 동일한 위치에서 열유속에 비례하여 증가하였다. 상변화가 끝나면, 물분율이 1 이 되어 성에가 녹고 물이 되는데, 상변화가 일어나는 시간은 Point 1 과 Point 4 에서 동일하게 나타나고 있으며 약 200 초 경과 후 상변화가 완료되었다.
5 는 제상 덕트 내부유동 해석 결과 및 승객실 내부유동의 일부 결과를 나타낸다. 덕트 내부 유동 해석 결과 제상덕트를 지나는 동안 약 160Pa 의 압력강하가 나타났고, 대칭단면의 중심에 가까울수록 측면방향의 속도성분이 커지고 수직방향의 속도성분이 감소하는 경향이 나타났다. 특이한 점은 중심단면에 가장 가까운 영역에서 음압이 관찰되므로 이 부분은 오히려 역류가 발생하였다.
7(b)를 보면, 20분이 경과하였을 때 전면유리 전체면적의 약 90% 정도가 녹았고, 특히 운전석을 기준으로 운전에 방해가 되지 않는 최소한의 영역은 100% 해빙되었음을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 해석한 제상 덕트는 제상성능을 만족하는 것으로 판단된다.
상대적으로 벤트 근처에 있는 전방유리 아랫쪽 영역이 먼저 녹아내리고, 녹은 면적은 토출되는 온풍이 유리면을 따라 올라가는 경로를 따라 유리면 전체로 확대되는 경향을 보임을 알 수 있다. 실험결과와 수치해석에서의 해빙패턴은 유사하나, 시간에 따른 해빙속도는 수치해석적 결과에서 실험보다 약 5분 정도 지연되는 경향이 나타남을 관찰되었다. 이는 수치해석의 특성상 이미 녹은 물이 유리면을 따라 흐르면서 주위 성에의 해빙을 촉진시키는 열전달 현상을 반영하는데 한계가 있음에 따른 결과로 판단된다.
그들은 자동차 전면유리의 제상성능에 영향을 미치는 주요 제어인자로서 노즐로부터 분사되는 분사각, 노즐 출구부의 높이, 그리고 출구부의 폭과 높이의 비를 선정하여 이들 변수들의 조절에 따른 성능분석을 하였다. 실험결과와 해석결과의 디아이싱 패턴은 유사하지만 수치해석에서의 결과가 실험적 결과에 비하여 상대적으로 지연되는 것을 관찰하였다. 이는 수치해석적 연구의 경우, 성에층의 디아이싱에 따른 물의 액화촉진 현상을 수치해석상에서 고려하는 것이 한계가 있기 때문이라고 분석하였다.
35x105[J/kg]으로 계산되었다. 열전달이 이루어지면서 모든 Monitor point 에서 엔탈피가 낮은 기울기로 증가하며, 상변화가 시작되면서 엔탈피의 증가폭이 크게 상승함을 확인할 수 있으며, 고상의 얼음의 잠열(3.37x105[J/kg])만큼 엔탈피가 증가되면 다시 감소된 기울기로 엔탈피가 증가하고 있다. 상변화가 이루어지는 동안 엔 탈피의 상승폭이 크게 증가하는 것은 성에층 바로 아래에서 이미 녹은 물과의 상호작용에 의해 열전달이 촉진되었기 때문인 것으로 사료된다.
특이한 점은 중심단면에 가장 가까운 영역에서 음압이 관찰되므로 이 부분은 오히려 역류가 발생하였다. 전면 유리 바로 아래쪽에서 운전석과 보조석에서의 분배유량을 비교하면, 운전석에서 0.028[kg/s], 보조석에서 0.031[kg/s]로 나타났고, 이를 백분율로 환산하면, 운전석에서 47.5%, 보조석에서 52.5%로 보조석에서 약 5% 높은 유량이 나타났다. 측면 벤트에서의 유량특성을 비교하면, 운전석 쪽과 보조석쪽에서 각각 0.
6(c)를 보면, 전면유리 근처에서 빠른 속도가 나타나는 부분이 매우 얇게 나타나고 있는데, 이러한 경향은 가운데 부분에서의 낮은 토출 압력과 주위에서 유입되는 유량의 상호작용에 의해 나타나는 것으로 분석된다. 전체적으로 속도장의 분포가 벽면근처에서 강하게 나타날수록 온도분포도 그에 따라 강하고 두껍게 나타나고 있고, 벤트에서 멀어질수록 온도가 감소하는 경향이 나타남을 확인할 수 있다.
5%로 보조석에서 약 5% 높은 유량이 나타났다. 측면 벤트에서의 유량특성을 비교하면, 운전석 쪽과 보조석쪽에서 각각 0.012[kg/s]로 거의 동일한 유량이 분배됨을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
노즐 충돌각 변화에 따른 윈드쉴드 면의 유동특성을 연구한 결과 무엇이 중요함을 밝혔는가?
Kim(2)등은 성에 제거 성능 향상과 관련된 노즐 충돌각 변화에 따른 윈드쉴드 면의 유동특성을 실험적 방법을 통하여 연구하였다. 그들은 유동저항이 최소화 되도록 노즐 수축부 형상을 설계하여 유동장의 평균속도분포와 유동구조를 실험적으로 고찰하고, 윈드쉴드의 원활한 제상을 위해 높은 유출계수와 확산폭이 작은 분류를 형성하도록 설계하는 것이 중요함을 밝혔다. Kim 등(3)은 제상 덕트 입구 가이드 베인의 형상에 따른 유동특성을 실험적으로 규명하고, 유동형태를 가시화함으로써 최적의 성능을 갖는 덕트 형상을 제안하였다.
동절기 차량에 발생하는 성에는 운전자에게 어떠한 문제를 야기하는가?
동절기 차량 전면과 측면유리에서 발생하는 성에는 운전자의 전방시야 확보에 장애요소로 작용하여 주행안정성에 지배적 영향을 미치므로 이를 적절하게 제거하지 않으면 운전자에게 상당한 부담요소로 작용하게 된다.(1) 이러한 경우, 자동차 내부 공조장치 운전모드 중 제상모드를 가동하여 강제적으로 성에를 제거하면 운전자의 시야확보에 큰 도움이 된다.
성에로 인하여 제한된 운전자의 시야확보를 확보하기 위하여 무엇을 이용하는가?
동절기 차량 전면과 측면유리에서 발생하는 성에는 운전자의 전방시야 확보에 장애요소로 작용하여 주행안정성에 지배적 영향을 미치므로 이를 적절하게 제거하지 않으면 운전자에게 상당한 부담요소로 작용하게 된다.(1) 이러한 경우, 자동차 내부 공조장치 운전모드 중 제상모드를 가동하여 강제적으로 성에를 제거하면 운전자의 시야확보에 큰 도움이 된다. 선진국에서는 MVSS103 이나 C 또는 SAE standard 등 제상성능과 관련된 규정을 제정하여 특정한 환경 하에서 승용차의 유리 면에 생성된 성에가 일정 시간 내에 제거되는 검증을 통과한 제품만 판매할 수 있도록 규제하고 있다.
참고문헌 (7)
Youn, Y.M., Kader, M.F., Lee, K.B. and Jun, Y.D., 2008, “Numerical Study on Control Factors of Defrosting Performance for Automotive Windshield Glass in Winter,” SAREK, Vol 20, No. 12, pp. 789-794
Kim, D.K., Kim, H.J., Lee, J.K. and Rho, B.G., 2007, “An Experimental Study on the Flow Characteristics with the Impinging Angles of Defrost Nozzle Jet Inside a Vehicle Passenger Compartment,” Trans. of KSME(B), Vol. 31, No. 12, pp. 1024-1032
Kim, D.J. and Lee, J.K., 2008, “Effects of an Inlet Guide Vane on the Flowrate Distribution Characteristics of the Nozzle Exit in a Defrost Duct System,” Trans. of the KSAE, Vol. 16, No. 4, pp.88-96.
Kang, S.H., Lee, J.H. and Byun, J.S., 2007, “3D Unsteady Numerical Analysis to Design Defrosting System of Automotive Windshield Glass,” Trans. of the KSAE, Vol. 15, No. 5, pp.1-8.
Park, M.S., Hwang, J.E. and Park, W.G. and Jang, K.Y., 2003, “Numerical Study of Defrost Phenomenon of Automobile Windshield,” Trans. of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol.11, No. 2, pp.157-163
Kim, D.H., Lee, J.I., Roh, S.K. and Lee, M.S., 1995, “Performance Improvement of Automotive Defrost Duct Using CFD,” Proceeding of Spring Conference of KSAE, pp. 177-185
Park, S.K., Ahn, B.J. and Kim, C.S., 2002, “A Study of Windshield Defrosting Characteristics through Numerical Computation of Internal Cabin Flow,” Proceeding of the KAMES 2002 Joint Symposium (KSAE), pp.1095-1100
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.