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CFD at Daimler Chrysler AG
     

DaimlerChrysler는 그들의 CAE 주도의 개발 과정에 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 통합한 최초의 회사 중 하나입니다. 그들은 이제 "가상 자동차" 개념을 통해 완전히 CFD를 활용함으로써 짧은 설계 주기를 통한 이익을 올리고 있습니다.

자동차 산업에서의 첫번째 실제 CFD 어플리케이션이 20년 전에 실행된 이후로, 자동차의 개발 과정은 극적으로 변화되었습니다. 그 변화는 이 과정에서 CAD가 도입된 지 3년 정도 지나는 시점이었습니다. CAD는 개발주기를 단축시키기 위한 기본이었으며 강력한 격자 생성 시스템을 포함하여, 설계과정을 완전히 CFD로 실현하기 위한 CAE Tool의 진보를 위한 기본이었습니다. 하드웨어 및 소프트웨어의 효율 향상과 함께 이어온 이러한 발전은 좀 더 복잡한 응용분야를 가능하게 했습니다. 가상 자동차 개발의 아이디어가 태어난 것입니다.

오늘날, CFD는 Mercedes-Benz의 승용차 개발 부서에서 차량 설계 과정에 있어 필수적인 요소로 자리잡았습니다. 이러한 기술의 다른 측면은 Underhood Flow Analysis, Vehicle Cooling, Passenger Compartment Flow, Air Conditioning, Brake Cooling 설계 및 Aerodynamics를 포함한 다양한 차량 개발 과정에서의 최적 사용을 낳았습니다.

모든 CAE 활동이 최적 수준에서 실행된다는 것은 중요합니다. 모든 차량 개발 과정에서, Mercedes-Benz Developement System(MDS)는 매우 복잡하여, CAE Tool이 사용되는 매시간에 복합적인 반복적 루프를 포함합니다. CAD와 CAE는 차량 개발 과정의 개념 및 설계상에서 중요한 역할을 하므로, CAE 루프에서의 어떠한 비효율성도 증폭됩니다. 이러한 이유로 최적화는 매 단계마다 이루어지고, Mercedes-Benz는 MDS는 CAE, CFD Tool을 가장 최적화시켜 사용하고 있다고 믿습니다.

Under the Bonnet

Mercedes-Benz는 1990년 이후로 CFD를 Underhood Flow의 시뮬레이션에 사용해왔습니다. 이때에 15개 이상의
다른 모델(A-, C-, E-와 S-Class 포함)이 3차원 CFD 시뮬레이션에 의해 설계되었습니다. 오늘날 개발중인 모든 차량들을 위해 3차원 CFD 시뮬레이션과 1차원 냉각제 유동 시뮬레이션은 독점적으로 엔진 냉각 설계를 검증하기 위해 사용되어왔습니다.

CFD 과정의 가장 첫번째인 격자 생성은 자동적으로 200개의 CAD 파일로부터 생성된 500만개의 Cell을 생성함으로써
진행됩니다(이들을 단순화시킨 후에도 약 600MB 용량의 데이타가 됨). 격자 생성은 CD-adapco의 es-uhood 및 pro-am을 이용하여 수행됩니다.

CFD 해석 - MDS에서의 모든 해석은 STAR-CD를 이용하여 수행됩니다 - 은 일반적으로 3개의 표준 부하 케이스 하에서
실행됩니다 : 최대 속도에서 차량 운행시와 냉각 팬이 꺼진 경우; 냉각 팬이 켜진 상태에서 오르막길을 올라가는 트레일러에서 차량을 잡아당기는 경우; 차량이 정지되어있고, 엔진은 쉬고 있으며 공조기와 냉각팬이 가동되는 경우입니다.

CFD 해석은 완전한 3차원의 모든 Underhood Heat Exchanger 및 그 Component 주위 혹은 그것을 통한 유동의 분포 및 비율을 산출합니다. 더우기, 일반적인 공기유동및 완전한 온도분포 또한 유도해낼 수 있습니다. 이러한 정보는 검증하거나 다른 냉각 모델에 제공하기에 충분합니다.

In-car comfort

1998년 즈음에, 승객의 Thermal Comfort를 예측하기 위해 MDS에서 실행된 TEKOS라고 불리우는 시도가 있었습니다. TEKOS는 CFD 프로그램과 2개의 다른 시뮬레이션 도구가 있었습니다. 하나는 객실 내부의 열전달과 내/외부 간의 열교환을 나타내고, 다른 하나는 승객의 Thermal Properties를 나타내는 것이었습니다. 이러한 CFD 해석은 객실 내에서의 열전달계수 분포, 온도분포 및 유동구조를 제공하였으며 승객의 안락함을 위한 설계가 가능하도록 했습니다.

TEKOS의 소개와 동시에 Ventilation Duct, Heater/Air-Conditioning Box 및 Water Separation Box 내부에서의 CFD를 이용한 유동 해석 또한 시작되었습니다. 이제 CFD는 모든 신차에서 내부 유동 모델을 검증하기 위해 사용됩니다. 겨울(정상 및 비정상상태 - 가열), 여름(정상 및 비정상상태 - 냉각), 차 앞유리의 제빙 및 흐림 제거 등의 표준 부하 케이스에서 CFD 해석이 사용됩니다.

겨울과 여름(정상상태만)과 주어진 Ventilation Louvres의 위치에서 입구의 Mass Flow Rate, Blow out Direction 및 공기의 온도는 모든 승객에 대해 최적의 Thermal Comfort가 얻어질 때까지 변경됩니다. 비정상상태에서는 단지 입구 공기 온도만 시간에 따라 변하고 나머지 경계조건은 그대로입니다. 비정상상태의 공기 온도는 1차원 시뮬레이션 Tool(Refrigerant 및 Coolant Loop)의 도움으로 계산되어집니다. 응축기의 공기측에서 계산된 Underhood 유동 해석으로부터의 공기의 Mass Flow Rate이 적용됩니다.

Brake cooling

1992년 후반에 브레이크의 냉각을 시뮬레이션하기 시작하였습니다. 이런 종류의 시뮬레이션은 우선 휠 아크 내부의 유동을 해석하고 두번째로 브레이크 요소에 대한 열전달 해석을 실시하였습니다.

여기에 정상상태의 140km/h의 속도에서의 열전달 해석을 위한 2개의 시나리오가 테스트되었습니다. 주기적인 감속과
가속 행동에 기초를 둔 Alpine Downhill Braking 및 Braking Power/Distance 테스트가 그것입니다. 열전달계수 분포에 부가하여,  CFD 해석은 어떻게 휠 아크 내의 공기가 온도에 민감한 요소를 냉각시키는가에 대하여 나타내었습니다.

Vehicle Aerodynamics

CFD에 의한 차량 외부 유동의 해석은 아직 MDS에서 완전히 수행되지 않았으며, 첫 발만 내딛은 상태입니다. 부드러운 Underbody와 닫힌 Underhood를 가진 차량에서, 결과를 향상시키기 위한 부가적인 노력이 필요합니다. 측정값과 수치해석값의 보다 나은 비교를 위해서 3개의 풍동이 CFD에 의해 해석되었습니다.

Conclusion
MDS의 일부로 인정받기 위해서 CFD는 어플리케이션에 특화된 예상에 맞는 결과를 보여줌으로써, 그러한 결과가 주어진 시간계획 이내에서 나올 수 있도록 보여줌으로써 자신의 가치를 증명해야 했습니다. 우리 산업에서는 심지어 훌륭한 결과도 너무 늦게 나온다면 다소 가치가 없습니다! 대부분의 경우에(외부유동 및 차량의 공기역학을 제외) CFD는 MDS의 일부로써 다른 시뮬레이션 도구와의 절차에 포함됩니다. CFD 결과는 단독으로  모든 차량의 조건에서 MDS의 요구조건을 수행하지 않습니다. 단지 다른 시뮬레이션 도구와의 조합을 통해 모든 범위의 정보를 제공합니다. 그러므로 일련의 시뮬레이션에서의 모든 부분은 정확한 결과를 도출하여야 합니다. 안전 측면에서, 많은 테스트와 비교는 특화된 최적화 루프를 위한 최적의 툴의 조합을 찾아내어야 합니다.

과거로부터의 경험은 시뮬레이션 모델의 복잡성과 최적화 루프의 수량이 모든 시간에서 증가함을 보여줍니다. 더우기 비정상상태의 CFD 시뮬레이션은 미래에는 더 필요할 것입니다. 그러므로 최근의 높은 수준의 CFD 시뮬레이션을 증가시키고 미래의 MDS 요구조건을 접하기 위해 Mercedes-Benz는 CFD 코드로부터 부가적인 상관성을 보고싶어합니다.. 그러한 정보는 CD-adapco와 같은 회사를 위해 Feedback함으로써 가치있어집니다.

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