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Predicting passenger comfort
Dipl.-Ing. Christian Proksch, Dipl.-Ing. Frederic Guilbaud, Dipl.-Ing. Friedrich Brotz, Dr.-Ing. Wolfram Kühnel, Behr GmbH  & Co
자동차산업에서 높은 질의 HVAC 시스템을 공급함으로써, Behr사는 승객에게 안락한 승차감을 제공할 수 있는 정확한 방법론을 개발해왔습니다. 본 글의 주제는 Behr사가 STAR-CD를 이용하여 어떻게 초기단계에서의 자동차 설계시 Thermal Comfort를 예측하는지에 대한 것입니다.

The parametric cabin modeler

객실의 격자 생성은 시간이 소요되는 일인 CAD 형상에 기본을 두고 있다. 객실을 묘사하는 많은 CAD Model들은 Meshing이 시작될 수 있기 전에
모으고, 정리하고 일치시킬 필요가 있습니다. Structured 혹은 Unstructured meshing Strategy인지를 선정하는데 따라서 이 모든 과정은 3주에서 8주 정도가 소요됩니다. 대부분의 경우에는 차량의 CAD Model들은 개발의 초기단계에서는 제작이 가능하지 않습니다. 

                   
Fig. 1: Different types of vehicles created with the parametric cabin modeler: A - sedan, B - truck, C - hatchback

이러한 문제들을 없애고 진행상의 속도를 높이기 위해서, Behr사는 ICEM CFD사와 공동으로 Parametric Cabin Modeler를 개발하였습니다. 모델의 형상은 새 모델의 설계(가능하다면) 혹은 실제 차량과 유사한 모델로 설정하기 위한 200가지 이상의 파라메터를 가지고 제작됩니다. 이러한 파라메터의 조합으로 생성된 형상과 실제 CAD 형상은 중요한 형상요소가 적절히 일치되고 있습니다. 이 Tool의 한가지 주요한 장점은 빠르게 다른 환기 조건을 테스트하기 위해 Vent를 옮기는 것이 가능하다는 것입니다. Wall Prism 근처에 의해 둘러싸여진 Tetrahdral Mesh는 이 Tool에 의해 자동 생성됩니다. 수치적인 Overhead를 감소하기 위해 4면체 대부분은 Meshing Tool에서 6면체로 변환됩니다. Jet Region에서 국소적으로 격자를 재정의하기 위해 소위 "Density Volumes"를 적용함으로써 해석과정에서 높은 품질의 격자를 제공할 수 있습니다. 격자와 계산 모델의 질은 광범위한 유효성 연구에 의해 확인되어 CFD의 결과는 실험데이타 [1]과 잘 일치하고 있음을 보여주었습니다. 이 Tool을 사용함으로써 일반적인 객실 모델링에 소요되는 시간이 3일 이내로 줄어들었습니다.

Solar and thermal radiation
차량 내부의 Thermal Comfort를 평가하기 위해 객실 안쪽의 모든 표면에 태양 및 열 복사의 영향을 STAR-CD의 Discrete Beam Approach를 이용하여 예측하는 것이 필요합니다. 실제 경우에서 계산된 태양의 복사열 분포는 그림 2에 나타나 있습니다. 이 경우는 45° 고도에서 -45°의 방위각으로 설정되었습니다. 직접적인 태양 복사량은 500W/㎡로 계산되어졌습니다.

Fig. 2: Incident solar radiation (top) and surface temperature distribution (bottom)

          
Fig. 3: Distribution of incident solarradiation and of an example of use Example of use (left)
Fig. 4: Streamlines in a vehicle without (left) and with rear center and B-pillar ventilation (right)

그림의 투시도는 태양의 경사와 관계가 있습니다. 창문은 붉은 선으로 표현되어 있습니다. 객실 내부의 일부 면만이 직접적인 태양 복사열을 받습니다. A-Piller, 지붕 및 옆문은 운전자의 대부분을 그늘지게 합니다. 그림 2는 태양 복사의 효과를 표면 온도 분포로 보여줍니다.

Virtual thermal dummy

CFD에 의한 객실에서의 Thermal Comfort의 예측은 MARCO(Method to Assess theRmal COmfort)라고 불리우는 실험 방법에 근거를 두고
있습니다. MARCO는 공기의 온도, 속도(대류) 및 복사량의 함수로 되어있는 Resultant Surface Temperature(RST)를 측정하는 21개의 열센서를 장비한 Thermal Dummy입니다. 사람의 움직임은 그 센서에서 열원으로 표현됩니다. RST는 실험적으로 LMV(Local Mean Vote)의 값에 근거한
인간 지각과 관련되어 있습니다. 이 결과로부터 각 21개소에서의 Comfort Zone이 정의됩니다.

CFD Model로부터 RST를 계산하기 위해서 Numerical Thermal Dummy는 21개의 온도 측정 센서가 담긴 객실 모델을 포함하고 있습니다. CFD Solver가 표면 온도를 계산하기 위해 복사와 대류를 고려하면,  Numerical RST는 실험적으로 얻어진 값과 같고 따라서 Human Perception LMV를 측정할 수 있습니다.

Example of use

객실 유동 해석에 의한 Thermal Comfort를 평가하는 큰 장점 중 하나는 초기 원형을 제작하지 않고도 설계의 초기단계에서 다른 환기조건을 비교할 수 있다는 것입니다. 다음의 예에서 Rear Passenger Comfort에 대한 Rear Center 및 B-Piller Ventilation의 영향이 평가될 것입니다. 그림 3은 태양 복사열의 경사각을 보여줍니다.

두 경우의 환기조건을 가진 객실의 공기유동은 그림 4에 Streamline으로 나타나 있습니다. Rear Center 및 B-Piller Ventilation Jet에 대한 Streamline은 빨간색으로 표시됩니다. 후방 센터 및 B-Piller Ventilation이 있을 경우 신체의 상부, 특히 가슴과 복부가 너무 더워질 것입니다.
(그림 5). 오른쪽의 승객은 매우 낮은 LMV값을 가지는데 이는 Rear Center Vent에서 Jet에 직접적으로 접촉되기 때문입니다.

             
   Fig. 5: Comfort values of the rear left passenger in a vehicle without and with rear center and Bpillar ventilation

Conclusion

CFD 객실 유동 분석은 제품 개발 과정에서 해석 도구로써 가치있는 발전이 있었습니다. Parametric Cabin Modeler의 응용은 객실의 CFD 격자의 빠른 생성에 있고 이는 개발의 초기과정에서 CFD 해석을 적용할 수 있게 합니다.

References
[1] W. Kühnel, F. Guilbaud, C. Proksch, T. Heckenberger, D. Heinle, CFD Cabin Flow Analysis as Part of the Development Process, Vehicle Thermal Management Systems Conference Proceedings (VTMS 6), SAE Paper No. C599/053/2003, pp. 243-253.

[2] C. Bureau, H. Kampf, B. Taxis-Reischl, A. Traebert, E. Mayer, and R. Schwab, MARCO – BEHRs Method to assess thermal comfort, Vehicle Thermal Management Systems Conference Proceedings (VTMS 6), SAE Paper No. C599/005/2003, pp. 223-233. 

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