1D-3D CFD 를 활용한 시내버스의 열쾌적성 평가

 Simcenter Amesim Embedded CFD이 1D 및 3D 시뮬레이션 환경의 스마트한 결합을 통해 어떻게 도움이 될까요 ?

- 차량의 열 쾌적성 과제

 기후 변화뿐만 아니라 그에 따른 에너지 절약 목표로 인해 모든 종류의 차량에서 열적 쾌적성을 평가해야 할 필요성이 지속적으로 증가하고 있습니다. 특히 시내 버스의 열적 쾌적성을 평가합니다.

 차량의 전기화는 또한 이러한 에너지 절약을 촉진합니다. 이러한 차량에서는 내연기관 자동차의 경우처럼 난방이 더 이상 "무료"가 아니며, 배터리에서 에너지를 냉각하는 것과 유사하게 되어 차량 범위에 영향을 미칩니다.

 결과적으로 운송 부문에서 OEM과 공급업체는 비효율적인 늦은 반복을 피하기 위해 신속하게 최선의 결정을 내리기 위해 설계 주기 초기에 열 쾌적성을 처리해야 하는 과제에 직면해 있습니다.

 초기 설계에 열적 쾌적성 평가를 도입하면 모든 시스템 구성 요소가 확정되지 않았기 때문에 너무 많은 세부 사항을 다루지 않고 빠르고 쉽게 올바른 추세를 얻을 수 있습니다. 이는 다양한 구성과 현실적인 조건(예: 일시적인 시나리오 중)에 대해 논리적으로 평가되어야 합니다.

 이 문제에 답하기 위해 우리는 공기 흐름 현상의 3D 특성으로 인해 충분한 수준의 충실도를 제공하지 않고 시스템 시뮬레이션을 사용하는 경우가 많습니다.

 CAD를 완전히 사용할 수 있어야 하고 빠르게 처리할 수 있는 구성 수가 제한되어 있기 때문에 완전한 3D CFD 접근 방식을 사용하는 전통적인 대안도 최적이 아닙니다.

- Simcenter Amesim Embedded CFD 개요

 위에서 언급한 과제를 고려할 때 Simcenter Amesim의 Embedded CFD 접근 방식은 사실상 시스템 시뮬레이션 접근 방식과 Simcenter STAR-CCM+ 3D CFD 접근 방식을 결합한 좋은 절충안입니다. Simcenter Amesim은 대표적인 1D 솔루션입니다. 1D와 3D CFD 시뮬레이션 환경 간의 하이브리드 도구로 설명되는 이 도구는 두 기술의 이점을 모두 제공합니다. 이는 1D에 가까운 시뮬레이션 시간과 함께 3D 해상도의 충실도를 제공하며 모두 사용하기 쉬운 특정 GUI에 캡슐화되어 있습니다.

 객실의 편안함을 위한 Simcenter Amesim Embedded CFD는 가능성을 넓혀줍니다. 2인승 차량부터 상업용 비행기까지 모든 유형의 객실을 처리할 수 있습니다.

 이제 사용자는 자체 형상, 공기 구역 수, 통풍구 위치, 재료 유형(불투명 또는 투명) 등을 정의할 수 있습니다.

 이 중요한 개선 사항 외에도 Simcenter STAR-CCM+와의 호환성을 추가 버전(최대 2020.1 이상)으로 업그레이드했습니다.

- 문이 열리는 시내버스의 냉각 시나리오에 적용

 이후에는 다중 영역 모델링 접근 방식을 사용하여 시내 버스의 열적 쾌적성을 평가하기 위한 구체적인 시나리오에서 Simcenter Amesim Embedded CFD의 사용법을 설명합니다. 첫 번째 단계에서 전체 버스 쿨다운을 시뮬레이션한 다음 전면 및 중앙 도어가 모두 열리는 동안 2개의 연속 버스 정류장을 시뮬레이션해 보겠습니다.

- Simcenter Amesim Model

 아래 그림은 Cabin 구성요소가 포함된 HEAT 라이브러리를 보여줍니다.

 이 구성 요소에는 기본적으로 3개의 외부 포트가 있어 왼쪽에는 공기 질량 흐름, 온도, 압력 및 습도 측면에서 공기 통풍구 경계 조건을 연결하고 오른쪽에는 차량 속도 및 주변 공기 온도를 연결합니다.

연결된 통풍구가 있는 Simcenter Amesim 객실 열 모델

- Build 3D geometry

 위의 Simcenter Amesim 모델에서 3D 지오메트리를 구축하기 위해 객실 구성 요소에서 Simcenter Amesim Embedded CFD 앱을 실행합니다.

 단계별 GUI는 사용자에게 1D-3D 결합 시뮬레이션을 완료하도록 안내합니다.

 3D 지오메트리 단계부터 시작해 보겠습니다.

Simcenter Amesim Embedded CFD 지오메트리 단계

 3D 형상은 XYZ 좌표와 상자, 원통, 3D 다각형 등과 같은 기본 블록의 치수로 구성됩니다. 요소는 3가지 유형이 될 수 있습니다.

1) 유체: 관심 있는 유체 환경을 생성합니다(즉, 그에 따른 객실 공기량)
2) 고체: 공기와 열을 교환하는 고체로 처리될 객체를 생성합니다.
3) 방해물: 유체 영역(예: 바퀴)에서 재료를 제거합니다.

 우리는 절단 평면을 사용하여 전 세계 볼륨을 관심 있는 공기 구역으로 분할합니다. 우리 버스 모델의 경우 아래와 같이 총 16개의 공기 구역을 정의합니다.

버스 객실은 16개의 공기 구역으로 나뉩니다.

 사용자가 형상을 만드는 데 도움이 되도록 동적 3D 뷰어를 연결합니다.

 지오메트리가 완성되면 '생성' 버튼을 누르면 몇 초 안에 Simcenter STAR-CCM+ 모델이 자동으로 트리거됩니다.

- Defining boundary conditions and meshing the 3D model

 두 번째 단계에서는 다음과 같은 여러 작업을 수행할 수 있습니다.

1) 형상에서 요소(볼륨 및 면) 이름 바꾸기
2) 경계 조건을 면에 연관시키기(아래 그림 참조)
3) 드래그 앤 드롭을 사용하여 Simcenter Amesim과 Simcenter STAR-CCM+ 간에 교환할 변수 연결
4) 평균 메쉬 크기 정의 및 중력 처리 허용

Simcenter Amesim Embedded CFD 물리 단계

 - Simulating a transient scenario

 모델을 실행하기 전, '3D 모델을 1D 스케치로' 단계에서 객실의 1D 구조를 자동으로 생성합니다. 사용자는 이 단계를 시작할 때 객실에 연결된 MUX 요소의 치수를 재정의해야 할 수도 있습니다.

 완료되면 실행을 정의하고 시작할 수 있으며, 후처리된 3D 결과에 아래 그림과 같이 액세스할 수 있습니다.

Simcenter Amesim Embedded CFD 3D의 실행 단계 결과

 물론 Simcenter Amesim에서 일시적인 결과도 볼 수 있습니다. 다음 그림은 냉각 중 16개 공기 구역 온도의 변화를 보여줍니다.

Simcenter Amesim Embedded CFD 과도 냉각 온도 결과

 우리는 매번 30번의 문이 열리는 600번 이후의 2개 버스 정류장의 영향을 명확하게 볼 수 있습니다.

 이제 더 자세히 살펴보겠습니다.

1) Simcenter Amesim과 Simcenter STAR-CCM+를 결합하는 방법
2) 문 열림을 시뮬레이션하는 방법

- Details of 1D/3D coupling process

 앞서 설명한 임베디드 CFD 워크플로의 일부로 우리는 아래 제시된 Simcenter Amesim과 Simcenter STAR-CCM+ 간의 정보 교환을 자동으로 생성합니다. 사용자는 가져오기/내보내기 기능을 사용하여 사용자 정의 교환을 추가할 수 있습니다.

 Simcenter Amesim 일시적인 동안 사용자 정의 이벤트는 아래 그림과 같이 이러한 교환을 트리거합니다.

 Simcenter STAR-CCM+ 실행은 정상 상태 계산으로 수행됩니다.

 이러한 이벤트는 중지 구성요소와 연관되어 있으며 시간 기반이거나 시스템 변수 변경을 기반으로 할 수 있습니다.

 버스의 예에는 2개의 트리거가 있습니다.

 간격이 증가하는 시간 기반 트리거(쿨다운 시작 시 더 정확함) / 버스 속도와 연결된 트리거로 도어 개폐를 처리합니다.

 아래 그림은 트리거를 보여줍니다.

호출 시퀀스 그림

- 문이 열리는 과정의 시뮬레이션

 이제 문 열기 시뮬레이션을 살펴보겠습니다.

 버스 예시 시나리오에서는 주변 온도를 섭씨 35도로 설정했습니다.

 버스 정류장에서 문이 열리면 공기 밀도 차이로 계산된 질량 흐름을 문에 적용합니다. 이를 위해서는 아래 그림과 같이 문 옆 공기 영역에서 공기 온도와 습도를 가져와야 합니다.

도어 개폐 시퀀스 구현

 사용된 분석 모델은 Pham과 Oliver [참조]에 의해 정의되었습니다.

 그 결과 다음과 같은 질량 흐름 프로필이 생성됩니다.

문이 열리는 동안 외부 공기 질량 흐름 입구

 여기에서는 열기/닫기가 즉각적인 것으로 간주되며, 물론 보다 현실적으로 조정될 수 있습니다.

 우리는 Simcenter Amesim Embedded CFD가 특히 의사 결정이 필수적인 초기 설계 단계에서 다중 영역 모델링 접근 방식을 사용하여 시내 버스의 열적 쾌적성을 평가하는 데 적합한 도구임을 입증했습니다.