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Dynamics >>20
CFD
aids Pulse Turbocharging
Dean Palfreyman, Engineer,
Professional Services Department, CD-adapco
Ricardo
Martinez-Botas, Thermofluids Section, Mechanical Engineering Department,
Imperial College London,
UK
Turbocharging은
배기가스에서의 낭비되는 에너지를 활용함으로써 왕복동형 엔진으로부터
나오는 출력을 증가시키는 방법입니다. 배기가스는 엔진 입구에서 공기를
가압시켜 Compressor에 동력을 제공하는 Turbine을 구동시켜서 더 많은
연료가 소비되도록 합니다. 자동차 엔진은 일반적으로 Turbine 입구가
Exhaust Manifold와 밀접하게 연결되어 있는 Pulse Turbocharging Method를
사용합니다. 이러한 결과로 Turbine은 엔진 밸브의 개/폐와 동조됨으로
인해 발생하는 Pulsating Flow Field의 지배를 받게 됩니다. 그림 3과
4는 실험적으로 측정된 순간 정압과 Turbocharger Turbine의 입구에서의
질량유량을 보여줍니다. Time Scale을 참고하세요.
진동 조건
하에서 Turbine Aerodynamics는 이해하기 어려운 부분이 있습니다. 이는
강한 비정상 유동장에서의 상세 실험 데이터를 얻기 힘든 점과 Volute-Turbine
System 내에서 완전한 3D Time-Accurate Flow를 예측하는 데에 드는
수치적 비용 때문입니다. 그 결과로 Turbocharger 설계에서 입구의 진동에
대한 조건을 고려하는 일이 드문 실정입니다.
Imperial
College London에서 Thermofluid Section에서의 지난 10년간의 연구는
진동하는 유동 조건하에서 Turbocharger Turbine의 공기역학에 초점이
맞춰져 있었습니다. 이것은 주로 실험적으로 이루어졌으나 STAR-CD와
Computer Resource의 발전이 이루어져 3D Time Accurate 모델에서 진동
조건 하의 Turbine 효율을 평가하는 것이 가능해졌습니다. Volute 및
모든 Turbine Passage을 포함한 영역에서의 격자는 Turbine의 회전에
대한 모델링이 가능한 STAR-CD의 Moving Mesh로 만들어졌습니다. 그림
1은 샘플 격자를 보여줍니다. 이것은 회전요소에서의 상호작용과 Turbine
Passage를 지나는 Pulse Waveform의 전달 평가를 허용합니다. 모델은
입구에서 Transmissive Boundary Condition을 채택하였습니다. 이는
반사가 없는 영역 바깥에서 전달되는 Pressure Wave Rarefaction을 허용하는
동안에는 Instantaneous Inlet Condition의 적용을 허용합니다. Second
Order Spatial Discretization Total Variation Diminishing(TVD) Based
Scheme인 M.A.R.S.는 유동장에서의 Pressure Wave를 포착하는데 적합하므로
채택되었습니다.
Turbine 효율의 측면에서 Pulse Wave의
효과는 Imperial College London에서 그림 5,6에서 보여진 Laser Dopplier
Velocimetry(LDV)를 이용하여 측정한 비정상 속도장과 함께 측정되었습니다.
예측된 결과를 비교하였습니다. 보이는 바와 같이 Turbine의 효율은
Quasi-Steady(Pulse Time Averaged Inlet Condition으로 가정)와는 거리가
멀고 영역을 들어오고 나가는 Mass Flux의 불균형에 기인한 Hysteresis
Type Loop를 보입니다. 비정상적인 ‘무질서한’ 효율은 Pulse로 인해
빠르게 변경되는 입구 조건에 의한 Turbine에서의 방해받은 유동장에
기인한 것입니다;그림 6은 Turbine 입구에서의 변동하는 접선방향 속도의
추적값을 보여줍니다.
예측값과 실험값과의 비교결과는 양호합니다;속도장은 적절하게 표현되었고 효율 추적값은 같은 Hysteresis Type Loop를 보여줍니다. 실험값은 Compressor에서 Turbine의 결합으로 인해 야기된 Turbine의 순간적인 토크로 인한 약간의 관성 감쇠에 의해 좀 더 작은 ‘swept’된 영역을 차지합니다.
결론적으로, 이 연구는 실험과 상용 코드를 이용한 수치해석과의 성공적인 공동작품입니다. Turbocharger Turbine에서의 강한 비정상 유동의 좀 더 상세한 이해는 실험적인 수단만에 의한 것 보다는 더 유용할 것입니다. 실험데이타는 University of London Imperial College의 박사과정 N. Karamanis에 의해 제공되었습니다.
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