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STAR-CD at Fiat Powertrain Technologies
Angelo Rosetti, Fiat Powertrain Technologies
Arese, Italy
 

STAR-CD는 Arese에 위치하고 있는 Fiat powertrain Technologies(FPT)의 엔진 설계과정에 사용되고 있다.

FPT에서는 intake manifold(흡기다기관)에 대한 cold flow해석 및 실린더헤드와 water jacket block에 대한 1D-3D
연동해석 등 다양한 수치해석을 수행하고 있으며, Spray-injection 동반된 multi-hole injector에 대한 연소해석도 수행하고 있다. 이 기사에는 1D-3D연동해석과 water cooling jaket해석에 대한 내용이 설명 된다.

Manifold Design

1D-3D연동해석은 흡기다기관 설계에 사용됩니다. 이 해석은 STAR-CD와 1D코드인 GT-Power 6.1이 사용되었으며, Linux Redhat Enterprise 3머신을 이용 하였다. 해석은 Full load조건에서 수행되었으며, 총 7번의 사이클에 대한 해석을 하였다.. 해석속도 및 정확도를 고려하기 위해 결과에 대한 저장은 6사이클부터 마지막 1사이클만 하였으며, 저장간격은 0.5 crank angle-step으로 하였다.

설계 엔지니어에게 더 빠른 결과를 제공하기 위하여, 하나의 리눅스 머신에 여래개의 윈도우 워크스테이션이 마운트 된 WM-Vare라 불리우는 가상리눅스 머신이 특별히 구성되었다. 각각의 워크스테이션은 2개의 CPU로 이루어 져 있다.. 이 가상 클러스터를 이용하여 계산을 시작하려면 단순히 “turn on”이라는 명령어만을 내려주면 된다. 그 후 몇 개의 CPU를 미니클러스터에 추가하여 계산 할 것인지를 정의한다.

이런 식으로 하나 또는 2개의 CPU를 이용하여 작업을 할 수 있으며, 사무실의 머신 중 얼마나 많은 머신을 이용할 것인지 만을 결정하면 된다. 이 리눅스 클러스터는 es-ice를 위해 구성되었으며, ICE계산을 할 수 있다. 이 해석을 통해 얻어진 속도장, 압력, 온도, 압력파동, 마하 수, 유동의 분리현상과 각각의 실린더 별 질량유량의 밸런스와 같은 결과는 설계자와 함께 분석되며 이에 대한 토론이 이루어진다.  

해석을 위해 약 4~5일의 시간(격자생성, 해석시간, 후 처리과정 및 리포트를 작성하는 일련의 모든 과정을 포함한 시간)의 소모되며, 해석시간은 격자개수 및 형태에 의해 좌우된다. Fig.1은 6-실린더엔진의 흡기다기관의 격자를 보여준다. 격자의 개수는 약 40만개이며 1mm의 extrusion layer 하나를 포함하고 있다.. 해석을 위해 Standard k-e 난류모델이 사용되었다. Fig.2는 두 개의 runner section에서의 속도분포를 보여주고 있으며, Fig.3은 하나의 runner에서의 마하 수를 보여주고 있다.

일반적으로 최대출력상태 조건으로 시간평균화(steady-state)해석을 하며, 입구경계에서의 유량조건과 적합한 냉매의 물성치를 정의한다. STAR-CD는 Isothermal(등온) 또는 non-isothermal 모두 해석이 가능하며, user-subroutine을 이용하여 boiling(보일링)효과를 고려하는 것도 가능하다. 벽면 임계온도 값을 위한 One-phase wall heat flux계산을 위해 Rohsenow nucleate 보일링모델을 사용하였다.               

Fig.4는 4-실린더 엔진의 실린더블록과 헤드가 포함된 water-cooling 자켓의 격자를 보여주고 있다. 격자의 개수는 약 80만개이며, 하나의 냉매입구와 두 개의 출구를 가지고 있다.  하나는 라디에이터로 흐르게 되며, 나머지 하나는 다른 내부부품으로 흐르게 된다. 개스킷 홀은 실린더블록과 헤드에 접해있으며, 이것은 엔진의 열균형에 아주 중요한 역할을 한다. 이 해석의 목적은 이것의 최적위치를 결정하는 것에 있다..

알려진 것처럼, 실린더 헤드 내의 exhaust valve bridge는 엔진 배기부의 열발생과 정체없는 냉매의 유동을 위한 매우 중요한 부분이며, water cooling jacket 설계의 기초이다.

Fig.5, 6과 7을 통해 water cooling jacket의 실린더헤드의 압력과 벽면열전달계수 그리고 온도를 관찰할 수 있다.

Conclusions

FPT의 해석부서에서는 엔진설계를 위한 CFD코드로 STAR-CD를 사용하고 있다.  이 기사는 1D-3D연동과 water cooling jacket해석이 일반적으로 수행되는 현대적인 자동차 엔진의 설계과정에 시뮬레이션의 중요한 역할을 보여주는 예이다.

Figures

01: Intake manifold of a six cylinder engine
02: Velocity field – Runner section
03: Mach number – Runner section
04: Water cooling jacket mesh of a 4 cylinder engine
05: Pressure filed- Water cooling jacket of a four cylinder engine
06: Wall heat transfer coefficients – Water jacket four clinder engine
07: Temperature field – Water jacket of a four cylinder engine

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