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Dynamics >>22
Powertrain
Thermal Analysis - Lotus Uses STAR-CD
Ian Postlethwaite, Executive
Engineer (Powertrain), Lotus Engineering, UK 
Lotus사는
내부 연소 엔진(ICE)에서의 3D 온도장을 예측하기 위해 자사의 1D 엔진
시뮬레이션 코드('LES')와 1D Fluid System Analysis(FLOWMASTER) 및
STAR-CD CFD 코드로부터 데이타를 결합시키는 방법을 개발하였습니다.
이를 조정하는 핵심 도구로써 STAR-CD를
사용하였습니다.
Powertrain 해석이 점점 더 복잡해짐에 따라 엔진에서의 정확한 온도장을 얻어내는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 전통적인 방법은 그러한 해석에서 경계조건을 설정하는 실험적 보정을 사용하는 것입니다. Lotus사는 좀더 복잡한 Downstream CFD 해석(그림 1)을 위해 경계조건을 설정하는 기본적인 해석방법을 사용한 방법을 개발해왔습니다.
초기
문제는 어떻게 가스쪽의 온도와 열전달계수(HTCs)를 얻느냐 하는 것입니다.
우리는 Moving Mesh와 Combustion을 포함한 Gas Exchange Process의
완전한 3D CFD 모델을 만들었지만, 이는 수치적으로 매우 민감하고 장시간을
소비하는 모델이었습니다. 프로젝트의 제한 내에서 이를
실행할
동안 그다지 실용적이지 못했습니다. 운좋게도 프로젝트의 초반에 수행된
엔진 효율 시뮬레이션으로부터 생성된 데이타를 활용하는 더 단순한
방법이 채택되었습니다. 'LES'가 프로젝트의 설계 한계 이내에서
엔진 효율을 최적화하기위해 우선적으로 사용되었습니다. 그러나 엔진을
통하여 얻은
가스 온도와 HTCs를 실린더, 입구, 배기포트 및 배기런너에서의
경계조건을 제공하는데 사용되었습니다.
접촉하는 요소(밸브와 시트) 사이의 열전달은 어떻게 될까요? 여기에 다른 강도, 표면처리 및 접촉압을 가진 재료들 사이의 열전달에 대한 실험적 보정값이 사용됩니다. STAR-CD는 냉각제쪽에서의 온도를 포함한 3D 유동 조건을 예측하고 있습니다. 그러나, 냉각제의 열전달계수는 Nucleate Boiling Effect를 고려하여 변경되었습니다. 전체 냉각시스템은 FLOWMASTER, Starlink로의 연결고리를 사용하여 추가됩니다.
CFD 해석은 모든 주요 엔진 요소들(Cylinder, Head & Block, Liner, Valve, Seat and Guide)을 통합한 수치적 격자를 사용합니다. 이 모든 요소들은 Baffle Boundary에서의 격자의 비연속성을 제거하기 위해 동시에 격자가 생성됩니다.
이
해석은 Valve, Seat 및 Guide와 같은 다른 요소들과 마찬가지로 Cylinder
Head(그림 2) 및 Block에 대한 온도장을 제공해줍니다. 또한 계산결과는
냉각제 온도분포 및 Heat Rejection입니다. 경계조건을 바꾸는 것은
다양한 시뮬레이션을 가능하게 합니다. 이것은 주변 환경에서의 Heat
Rejection과 비정상상태 시뮬레이션으로 바꿈으로써 다른 엔진 파워
레벨 및 속도로 시뮬레이션할 수 있게 해 줍니다. 측정된 데이타와의
일치는 이
해석기술로 달성됩니다(그림 3).
이 결과는 다음의 구조해석을 위한 FEA 모델에 매핑될 수 있는 엔진의 정확한 온도장을 생성하는 과정입니다. CFD 해석은 제품개발 초기의 엔진 설계 및 최소화된 Risk를 위한 확신을 제공해 줌으로써 냉각제, 정상상태 온도장 및 Cooling Jacket 내의 유동 구조와 마찬가지인 비정상상태의 Warm up Condition에 대한 Heat Rejection을 예측하는 가치있는 도구입니다.
Fig 1: Engine thermal analysis
Fig 2: Cylinder head temperature
distribution
Fig 3: Comparison
of measured and predicted temperatures
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