대리모델을 이용한 차량용 열교환기의 루버-핀 형상 최적설계

Title
대리모델을 이용한 차량용 열교환기의 루버-핀 형상 최적설계
Authors
이호영
Keywords
대리모델을이용한차량용열교환기의루버핀형상최적설계
Issue Date
2012
Publisher
인하대학교
Abstract
자동차 산업의 경우 에너지의 고갈과 환경 문제가 대두되면서 차량의 경량화 및 소형화에 중점을 두고 있다. 이에 따라 차량용 열교환기 또한 무게 및 공간의 제약을 받게 되었으며, 높은 성능이 요구되어 지고 있다. 차량용 열교환기는 고온의 냉각수를 저온의 공기를 이용하여 열전달을 통한 냉각을 목적으로 하고 있으며, 주로 주름진 루버-핀 형상이 사용되고 있다. 열교환기의 전체 열전달 계수는 공기 측의 열전달에 매우 의존적인 것으로 보고되고 있으며, 공기 측의 열교환 성능은 루버-핀 형상에 따라 결정된다. 루버-핀 형상에 대한 주요한 설계변수로는 핀 피치, 루버 피치, 루버 각, 튜브 피치 등이 있다. 본 연구에서는 차량용 열교환기의 냉각 성능의 증대 및 압력 손실을 최소화하기 위하여 대리모델를 이용한 최적화기법을 이용하여 루버-핀 형상의 최적화를 수행하였다. 유체의 유동 및 열전달, 압력 손실을 예측하기 위해 CFX 12.1를 사용하였으며, 난류모델은 SST(Shear Stress Transportation)모델이 사용되었다. RSA(Response Surface Approximation) 대리모델을 이용한 최적화를 수행하였으며, 반응면을 생성하기 위하여 LHS(Latine Hypercube Sampling) 기법을 통하여 12개의 실험점을 채택하였다. 핀 피치와 루버 각을 설계변수로 구성하였으며, 목적함수는 열전달계수와 압력강하를 평판-핀의 값으로 무차원화 한 후, 두 요소를 조합한 열전달 효율로 정의하였다. 열전달 및 압력강하에 대한 수치해석 결과는 실험결과와 매우 일치하는 경향을 보였다. 최적화를 통한 루버-핀의 최적 형상을 제시하였고, 민감도 분석을 통하여 핀 피치보다 루버 각이 목적함수에 민감한 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
Description
목차 그림 목차 ⅲ 표 목차 ⅳ 국문 요약 ⅴ 영문 요약 ⅵ 제 1장 서론 1 제 1절 연구 배경 및 목적 1 제 2절 연구 현황 2 제 3절 연구 방법 4 제 2장 유동해석 방법 5 제 1절 열교환기 형상 5 제 2절 수치해석 7 제 3절 격자생성 9 제 4절 경계조건 11 제 5절 성능지표계산식 11 제 3장 최적설계 방법 13 제 1절 최적화 알고리즘 14 제 2절 대리모델 14 제 3절 수치실험점 결정 17 제 4절 설계변수 및 목적함수 19 제 4장 연구 결과 및 검토 20 제 1절 유동해석 정확성 검증 20 제 2절 최적설계 22 제 3절 유동특성 26 제 5장 결론 34 REFERENCE 35 그림목차 그림 1. 루버-핀 열교환기 형상 5 그림 2. 루버-핀 제원 6 그림 3. 3차원 수치해석 영역 8 그림 4. 작동 유체의 흐름도 8 그림 5. 수치해석 영역 격자 9 그림 6. 격자의존성 테스트 10 그림 7. 최적화 과정 흐름도 13 그림 8. 두 개의 설계변수에 대해 LHS를 통한 실험점 예시 18 그림 9. 2.02mm. 25.5deg 실험 및 수치해석 결과 비교 21 그림 10. 2.03mm. 28.5deg 실험 및 수치해석 결과 비교 21 그림 11. 3차원 목적함수 그래프 25 그림 12. 목적함수의 민감도 테스트 25 그림 13. 최적형상의 온도분포 26 그림 14. 최적형상의 핀에서의 온도분포 26 그림 15. 최적형상의 압력분포 27 그림 16. Case 4의 온도분포 28 그림 17. Case 4의 핀에서의 온도분포 28 그림 18. 최적형상의 Streamline 30 그림 19. Case 4의 Streamline 30 그림 20. 최적형상의 속도벡터 31 그림 21. Case 4의 속도벡터 31 그림 22. 최적형상의 로컬압력과 속도벡터 33 그림 23. Case 8의 로컬압력과 속도벡터 33 표 목차 표 1. 설계변수와 범위 19 표 2. 12가지 실험점과 Reference 설계 변수 22 표 3. 12가지 실험점과 Reference 유동해석 결과 23 표 4. RSA 대리모델을 이용한 최적 설계 변수 24 표 5. 최적 설계변수를 이용한 최적 설계 결과 24
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/23063
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College of Engineering(공과대학) > Graduate School of Engineering (공학대학원) > Theses(공학대학원 석박사 학위논문)
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