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문제 정의
- 본 연구에서는 CFD를 통한 루버핀 형상을 갖는 차량용 열교환기의 성능 및 특성을 파악할 수 있는 해석 과정에 대해 제안하였다. 이와 같은 수치적 해석 과정은 크게 미시적 해석 및 준미시적 해석으로 구분된다.
- 본 연구에서는 루버핀 열교환기의 특성에 대한 상관식을 수치해석을 통해 얻었다. 루버핀의 형상에 대해 자세히 묘사함으로써, 열교환기에 대해 미시적 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 차량용 루버핀 열교환기의 성능 및 특성을 파악할 수 있는 해석 과정을 소개하였다. 이는 크게 미시적 해석과 준미시적 해석을 통해 수행되었다.
제안 방법
- Table 1과 같은 설계인자를 갖는 루버핀 열교환기의 성능을 얻기 위해서, 미시적 해석 결과로부터 열전달에 대한 Colburn j-factor와 압력강하에 대한 Fanning f-factor를 구하였다. 이와 같이 얻은 j-factor 와 f-factor의 값을 레이놀즈수의 함수 형태로
- 기존 실험을 통하여 루버핀 열교환기에 대한 상관식을 제시하였으며, 이 중에서 Chang and Wang[3]이 제안한 j-factor는 다음과 같다.
- 루버핀 열교환기의 해석을 위해, 3D 준미시적 해석 기법인 SHE (Semi-microscopic Heat Exchange) 방법을 개발하였다. 준미시적 해석을 통해 실험이나 수치해석으로부터 얻은 j-factor와 f-factor에 대한 상관식을 이용하여 열교환기의 특성을 예측할 수 있다.
- 본 연구에서는 루버핀 열교환기의 특성에 대한 상관식을 수치해석을 통해 얻었다. 루버핀의 형상에 대해 자세히 묘사함으로써, 열교환기에 대해 미시적 해석을 수행하였다. 이와 같은 미시적 해석을 위해, 주기 및 대칭 경계조건을 사용하여 Fig.
- 이와 같은 수치적 해석 과정은 크게 미시적 해석 및 준미시적 해석으로 구분된다. 미시적 해석으로부터 루버핀 형상에 대한 열전달 및 압력강하에 대한 상관식을 얻었으며, 이를 이용하여 준미시적 해석에서 루버핀 열교환기 및 차량 열교환 시스템 전반에 대한 해석을 수행하였다.
- 미시적 해석은 루버핀 형상을 자세히 모델링한 해석 격자를 사용하여 수치해석하였다. 이와 같은 해석을 통해 루버핀 형상에 따른 온도 및 압력 분포를 얻을 수 있었으며, 열전달에 대한 j-factor와 압력강하에 대한 f-factor를 구할 수 있었다.
- 본 연구에서는 준미시적 해석을 통해 차량이 20 m/s으로 주행을 할 때 열교환 시스템에 대한 유동 및 열해석을 수행하였다. Fig.
- 해석 영역을 크게 열교환기 및 대기 영역으로 나누어 생성하였으며, 루버핀과 이를 통과하는 공기에 대해 다공성 물질로 처리하였다. 서로 분리된 두 영역 사이의 열전달은 유체와 고체 다공성 물질의 온도차로 구하였다. 이로부터 얻은 해석 결과는 미시적 해석 결과와 같은 결과를 보였다.
- 9는 차량 속도가 20m/s 일 때 열교환 시스템에서의 온도 분포를 보여준다. 유체와 고체 다공성 물질 사이의 온도차에 의해 분리되어 있는 두 영역에 대한 열전달을 계산하였다. 이로부터 냉각수 및 대기의 온도 분포도 얻을 수 있었다.
- 준미시적 해석 기법은 냉각수 유로와 튜브, 루버핀, 대기 영역으로 구성된 전체 해석을 특징으로 한다. 이 때, 루버핀 열교환기에서 대부분의 열교환이 일어나는 부분인 루버핀 영역은 같은 위치에 공기와 고체 다공성 물질로 대체하여 모델링하였다. 따라서, 전체 해석 격자는 냉각수 유로와 튜브, 루퍼핀 영역의 고체 다공성 물질로 구성된 해석 격자와 루퍼핀 영역을 통과하는 공기 다공성 물질과 대기로 구성된 해석 격자로 구분할 수 있다.
- 튜브 안쪽 벽면에 358K으로 일정 온도 조건을 설정하여 루버핀의 열전달 성능을 평가하였다. 이 때, 열전달 및 압력강하에 대한 상관식을 얻기 위해 공기의 입구속도를 1 m/s (ReLp =106)에서 30 m/s (ReLp=3187)로 변화시켜 수치해석하였다.
- 이를 통해 열교환기의 풍동 테스트 뿐만 아니라 전체 차량에서의 열교환 시스템 분석에도 적용될 수 있다. 이번 장에서는 준미시적 해석 방법을 사용한 전체 차량 열교환 시스템 해석을 수행하였다. 이 때, 차량에 장착된 루버핀 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성은 미시적 해석으로부터 얻은 상관식을 사용하였다.
- 루버핀의 형상에 대해 자세히 묘사함으로써, 열교환기에 대해 미시적 해석을 수행하였다. 이와 같은 미시적 해석을 위해, 주기 및 대칭 경계조건을 사용하여 Fig. 2와 같이 열전달 및 압력에 대해 주기적인 특성을 갖는 영역에 대해 격자를 생성하였다. 410만개의 유체격자와 40만개의 고체격자를 사용하여 총 450만개의 해석 격자를 구성하였다.
- 이와 같은 해석 격자와 방법을 사용하여 준미시적 해석을 수행하였다. Fig.
- 2와 같은 미시적 해석에서 사용한 해석 영역에 대해 준미시적 해석을 적용하기 위한 해석 격자를 보여주고 있다. 준미시적 해석에서 루버핀 영역에서의 고체와 유체 사이의 Conjugate heat transfer를 기반으로 하기 때문에 유체와 고체역역으로 나누어서 해석 격자를 생성하였으며, 루버핀 영역의 유체과 고체 다공성 물질 영역을 서로 겹치게 모델링하였다. 이 때, 해석격자는 유체 45만개와 고체 7만개의 격자를 사용하여 총 52만개로 구성하였다.
- 준미시적 해석은 미시적 해석에서 얻은 상관식을 사용하여 Conjugate heat transfer과 다공성 물질 처리를 기반으로 수치해석 하였다. 해석 영역을 크게 열교환기 및 대기 영역으로 나누어 생성하였으며, 루버핀과 이를 통과하는 공기에 대해 다공성 물질로 처리하였다.
- 준미시적 해석을 이용한 자동차 열교환 시스템 해석에 앞서, 준미시적 해석 방법을 사용한 준미시적 해석을 검증하기 위해 미시적 해석 결과와 비교해 보았다. Fig.
- 차량용 열교환기 중에 Fig. 1과 같은 루버핀 열교환기의 특성에 대해 분석하였다. 여기서 사용한 루버핀의 형상은 Chang and Wang[3]이 상관식을 제시하기 위해 사용한 형상 중에 하나로써, 형상에 대한 변수는 Table 1과 같다.
- 410만개의 유체격자와 40만개의 고체격자를 사용하여 총 450만개의 해석 격자를 구성하였다. 튜브 안쪽 벽면에 358K으로 일정 온도 조건을 설정하여 루버핀의 열전달 성능을 평가하였다. 이 때, 열전달 및 압력강하에 대한 상관식을 얻기 위해 공기의 입구속도를 1 m/s (ReLp =106)에서 30 m/s (ReLp=3187)로 변화시켜 수치해석하였다.
- 준미시적 해석은 미시적 해석에서 얻은 상관식을 사용하여 Conjugate heat transfer과 다공성 물질 처리를 기반으로 수치해석 하였다. 해석 영역을 크게 열교환기 및 대기 영역으로 나누어 생성하였으며, 루버핀과 이를 통과하는 공기에 대해 다공성 물질로 처리하였다. 서로 분리된 두 영역 사이의 열전달은 유체와 고체 다공성 물질의 온도차로 구하였다.
대상 데이터
- 2와 같이 열전달 및 압력에 대해 주기적인 특성을 갖는 영역에 대해 격자를 생성하였다. 410만개의 유체격자와 40만개의 고체격자를 사용하여 총 450만개의 해석 격자를 구성하였다. 튜브 안쪽 벽면에 358K으로 일정 온도 조건을 설정하여 루버핀의 열전달 성능을 평가하였다.
- 준미시적 해석에서 루버핀 영역에서의 고체와 유체 사이의 Conjugate heat transfer를 기반으로 하기 때문에 유체와 고체역역으로 나누어서 해석 격자를 생성하였으며, 루버핀 영역의 유체과 고체 다공성 물질 영역을 서로 겹치게 모델링하였다. 이 때, 해석격자는 유체 45만개와 고체 7만개의 격자를 사용하여 총 52만개로 구성하였다.
- 8은 준미시적 해석을 위한 차량 열교환 시스템 해석을 위한 해석 격자를 보여주고 있다. 전체 해석 영역에 대해 열교환기와 대기 영역으로 나누어 총 700만개의 격자를 사용하였다. 열교환기 영역은 루버핀, 튜브와 냉각수로로, 대기 영역은 루버 핀을 통과하는 공기와 대기로 구성되어 있다.
데이터처리
- 준미시적 해석 결과를 미시적 해석 결과와 비교해 보면, 두 결과가 일치하는 것을 볼 수 있다. 또한, 준미시적 해석 결과로부터 얻은 열전달 및 압력강하에 대한 상관식을 Fig. 7에서 미시적 해석 결과와 비교하였다. 이 결과도 두 해석의 결과가 동일하게 나타남을 볼 수 있다.
이론/모형
- 그러나, two-media 방법은 유체와 고체 다공성물질 사이의 온도차를 고려하여 열원을 계산한다. 따라서, 본 연구에서는 다음과 같은 two-media 방법을 적용하여 다공성 물질에서의 열유동을 해석하였다.
- 열교환기의 성능에 있어, 열전달과 더불어 압력강하도 매우 중요하다. 본 연구에서는 열교환기의 압력강하 특성을 표현하기 위하여, 다음과 같은 Fanning f-factor를 사용하였다.
- 이로부터, 열전달계수는 공기측의 입/출구 온도 및 튜브벽의 온도를 사용하여 구할 수 있다. 열전달 특성에 대해 보다 일반적으로 표현하기 위해서, 본 연구에서는 다음과 같은 Colburn j-factor를 사용하였다.
- 이번 장에서는 준미시적 해석 방법을 사용한 전체 차량 열교환 시스템 해석을 수행하였다. 이 때, 차량에 장착된 루버핀 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성은 미시적 해석으로부터 얻은 상관식을 사용하였다.
- 여기서 사용한 루버핀의 형상은 Chang and Wang[3]이 상관식을 제시하기 위해 사용한 형상 중에 하나로써, 형상에 대한 변수는 Table 1과 같다. 이와 같은 형상의 열교환기에 대한 수치해석을 위해 상용 프로그램인 STAR-CD[8]를 사용하였다.
성능/효과
- 미시적 해석을 통해 얻은 상관식은 실험을 통해 얻은 상관식과 유사한 것을 볼 수 있다. 레이놀즈수가 증가할수록 j-factor와 f-factor의 값은 감소하는 경향성을 보였으며, 높은 레이놀즈수에서는 값이 일정해지는 것을 볼 수 있다.
- 루버핀 열교환기 특성에 있어 준미시적 해석을 통해 매우 효과적으로 분석을 수행할 수 있었다. 준미시적 해석은 적은 격자를 사용하고도 매우 정확하게 특성을 예측하였다.
- 이와 같은 해석을 통해 루버핀 형상에 따른 온도 및 압력 분포를 얻을 수 있었으며, 열전달에 대한 j-factor와 압력강하에 대한 f-factor를 구할 수 있었다. 여기서 구한 상관식은 기존 루버핀 열교환기의 실험을 통한 상관식과 일치하는 것을 볼 수 있었다.
- 미시적 해석은 루버핀 형상을 자세히 모델링한 해석 격자를 사용하여 수치해석하였다. 이와 같은 해석을 통해 루버핀 형상에 따른 온도 및 압력 분포를 얻을 수 있었으며, 열전달에 대한 j-factor와 압력강하에 대한 f-factor를 구할 수 있었다. 여기서 구한 상관식은 기존 루버핀 열교환기의 실험을 통한 상관식과 일치하는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
- 위와 같이 검증된 준미시적 해석 방법을 차량용 열교환기 특성 분석에 효과적으로 사용될 수 있다. 이를 통해 열교환기의 풍동 테스트 뿐만 아니라 전체 차량에서의 열교환 시스템 분석에도 적용될 수 있다.
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