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내구성, 기능, 비용 DPF의 레이아웃 등을 최적화 하기 위해 STAR-CD를 기초로 한 시뮬레이션 기법을 ArvinMeritor Emmisions Technology에서 개발하였다. 이것은 시간에 따른 그을음 침착(transient soot loading)과  재생(regeneration)과정을 표현한 열유동 3차원 시뮬레이션이다.  

DPF 필터는 각각의 독립적인 채널들을 가지고 있으며, 채널의 한쪽 끝은 막혀있고, 다른 한쪽은 인접채널과 만나면서 열려있다. 배기가스가 채널에 들어가게 되면 다공질을 지나 벽면에서 소결된 후 인접채널들을 통해 나가게 된다. 이 과정 동안 벽에는 그을음 미립자들의 침적물이 생긴다. (Fig. 1) DPF는 위 그림과 같은 서로 연결된 3개의 유동영역(입구채널, 벽, 출구채널)으로 이루어져 있다.

DPF내부의 wall filtration 영역들과, DPF내부의 cement strip의 차이는 국부적인 유동의 분리와 그을음 침착에 영향을 준다. 필터의 가장자리 코너부분의 cement strip들은 네 개의 filtration wall이 아닌 두 개 또는 세 개의 filtration wall을 가지고 있다. (Fig. 2b) 

계산속도와 격자생성문제로 인해 DPF내의 아주 상세한 유동모사는 불가능하며 벽면 유동현상이 연속체가 아니기 때문에 일반적으로 거시적인 모델링방법을 사용한다. ArvinMeritor에서 개발된 기법에 의하면, DPF 필터는 채널의 입구와 출구, 그리고 고체영역(Fig. 3)으로 나눠지며  이들은 특별한 source term들에 의하여 연결된다. 입구와 출구채널 영역은 이방성 다공체 모델을 사용하여 정의되며, DPF입구와 출구에서의 수축현상과 확장손실은 baffle을 통해 모델링 된다. 벽을 통과하는 유량은 mass source와 sink를 통해 반영하며, 벽면을 지날 때 발생하는 압력의 변화는 porosity를 통해 반영된다. 국부적인 유동저항은 그을음의 침착에 영향을 준다.

DPF 재료(cement strip 포함)는 열 교환을 고려한 독립적인 고체로 모델링 된다. 직접적인 방법으로 지배방정식을 풀기 위해 co-simulation이 아닌 STAR-CD에서 지원되는 custom user-subroutine이 사용하였다. 필터의 내부와 외부를 coupling하는 방법은 수치적으로 안정된 효과를 가져온다.
 

DPF 부분의 cement strip과 core, perimeter와 코너영역에 대한 격자생성은 격자와 형상 parameter를 포함한 parameter control file에 따라 생성된다. 전체 유동영역을 포함하는 초기의 격자를 생성(DPF내부에 관계없이) 하고 표면격자를 길이방향으로 증가시켜 DPF 부분의 격자를 생성한다. 마지막으로 길이방향으로 증대된 표면과 DPF기본격자가 교차되는 부분을 자동적으로 잘라내어 최종적인 DPF영역을 완성한다.(2b) 이 작업은 CD-adapco의 자동격자생성모듈인 pro-am에서 가능하다.

마지막으로 해석모델에 대한 시뮬레이션을 시작하기 위해 수치적인 파라미터들을 설정하고, DPF sub-domain을 수정된 global mesh에 끼워 넣기 위해 추가적인 스크립트를 사용하였다. 게다가 자동화된 스크립트는 설정시간을 단축(격자생성 및 DPF의 새로운 레이아웃을 추가하는데 몇 분 만이 소요된다.) 하는 것 외에 잠재적인 유저 에러를 감소시키고, 복잡한 해석과정의 신뢰성을 매우 증대시킨다. 

Fig. 5는 과잉산소를 가지는 Trigger 필터의 재생과정에 대한 그림이다. 완만한 재생을 하는 초기 워밍업단계(90초 이후) 이후 재생이 가속(120초 이후)되기 시작하며 반응속도가 증가한다. 발생된 열이 유동에 의해 아래방향으로 전이되면서 뚜렷한 대비에 의해 가속되며, 3번째 DPF의 뒷부분에서 국부적인 재생이 일어난다. 극단적인 국소 열 전달은 방사상으로 퍼져나가고 DPF 뒤쪽의 soot를 모두 태울 때까지 억제되지 않는다. 열 부하에 대한 결과는 세라믹필터의 내구성을 평가하는데 특히 중요하다. 마지막 과정(180초 이후) 동안 전체 DPF내부의 온도는 비교적 균일하며 필터의 전면에 남아있던 soot는 천천히 연소된다.

새로이 개발된 기술은 Diesel particulate filter(DPF)에서의 그을음 침착과 재생과정에 대한 근본적인 지식(DPF 배치 최적화에 관한 필수 결정요소에 대한 지식)을 제공한다. 그을음 침착과 재생과정 동안의 열 특성을 파악할 수 있으며, DPF의 기능이 유지될 것인지 사용기간이 초과되어 기능이 저하될 것인지에 대한 정보를 준다. 이와 같이 STAR-CD와 pro-STAR를 이용한 CFD는 빠른 피드백을 통해 제품설계에 직접 적용 할 수 있으며, 심지어 빠른 설계 컨셉을 제공하여 생산설계를 가능하게 한다.

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