Introduction

Fig. 5는 인클로저의 좌표계와 입출구의 위치를 보여주고 있다. 발전기의 앞부분에서 보아서 우측면에 4개의 흡입구(R1∼R4)가 있으며, 비슷하게 좌측면에 3개의 흡입구(L1∼L3)가 설치되었다. 그리고 정면에는 1개의 흡입구(F1)이 있으며, 윗면에는 1개의 출구가 설치되었다. 각각의 중심위치와 폭과 높이는 Table 1에 정리되어 있다. 발전기에도 발전기의 냉각을 위하여 흡입구와 출구가 있는데 Fig. 1의 발전기 모양에서 정면 부분에는 흡입구이며, 원통면에는 출구가 설치되어 있음을 알 수 있다. 각각의 면적은 0.0756 m²과 01496 m²으로써 출구부분이 입구보다는 넓다. 유동해석에서는 발전기는 유동장의 내부에 설치되어 있으므로 입구부분이 배출구가 되고, 출구부분은 흡입구로 설정하여야 한다.

Fig. 5  
Coordinate and location of inlets and outlet on enclosure wall

인클로저 내부에 축류형 라디에이터 송풍기가 설치되어 있으므로, 유동장은 송풍기의 설치 위치에 따라 달라지게 된다. 만일, 송풍기가 유동장의 입구나 출구에 설치된 경우에는 송풍기의 유량을 입출구의 경계조건으로 적용할 수 있지만, 송풍기가 유동장 내부에 설치되어 있는 경우에는 유동장의 입출구에 송풍기의 유량조건을 적용할 수 없다. 송풍기는 성능곡선도에 따라 유량을 방출한다고 하여도, 이 유량의 일부는 인클로저 내부에서 환류형태로 다시 송풍기로 들어가게 되어 실제 인클로저의 입출구에서의 공기량은 송풍기의 유량보다는 적을 수밖에 없다.

본 연구에서는 실제상황과 동일하게 인클로저의 입구와 출구의 경계조건은 압력조건으로 설정하였다. 이 경우에 인클로저 내부에서 환류의 크기는 중요부품의 배치상태와 입출구의 위치에 따라 달라지게 된다. 따라서 계산의 결과로부터 환류의 크기에 따른 입출구에서의 공기량이 얻어질 뿐만 아니라 내부 열유동장도 얻어지게 되므로 이를 바탕으로 인클로저의 설계결과를 평가할 수 있게 된다. 인클로저의 흡입과 출구는 대기압 상태이지만 유동장 내부에서 작동하는 송풍기에 의하여 압력이 증대되어 출구로 흡입공기를 배출하게 된다. 따라서 송풍기의 운전조건은 송풍기제작사로부터 받은 성능곡선도를 적용하였다.

인클로저는 외부에서 사용될 수 있으므로, 외부환경에 따른 보호를 위하여 루버 창이나 스크린을 설치하게 된다. 빗물의 유입을 방지하기 위하여 덕트를 설치하였으나 고형물질의 유입을 방지하기 위하여 Fig. 6에서 보여주는 것과 같은 스크린을 덕트 앞부분에 설치하였다. 스크린을 통과하는 유동에는 압력손실이 발생되는데, 압력손실은 스 크린의 굵기(δ)에 영향을 받게된다.

Fig. 6  
Flow through a screen

스크린에서의 압력손실을 정확히 계산하기 위하여 이것을 입출구에 모델링하여 수치해석을 할 수도 있으나 좁은 간격을 정확히 모사하기 위하여서는 많은 격자를 사용해야 하는 어려움이 있으므로 본 연구에서는 Idelchik⁽¹³⁾에 의하여 정리된 식 (1)을 적용하였다. Fig. 6에서 보여주는 것과 같이 스크린을 통과하기 전의 면적(A₀)과 순수한 통과면적(A₁)의 비(f= A₁/A₀)를 기준으로 유동속도(v₀)와 관계로부터 압력손실을 구하였는데, 레이놀즈 수에 따라 정리하였다. 추가적인 손실계수(k)는 Fig. 7을 이용하여 구할 수 있다.

Fig. 7  
Coefficient k versus Reynolds number

라디에이터에서의 유속에 따른 압력손실은 라디에이터 모델에 따라 달라진다. 모델에 따른 유속과 압력손실의 관계를 Reuter⁽¹⁴⁾가 측정한 경우에, 8 m/s의 속도에서 250 Pa가 측정되었다. 반면에 Torregrosa⁽¹⁵⁾는 라디에이터에서의 압력손실을 수치해석으로 얻었는데, 8 m/s의 속도에서 의 5,000 Pa이 얻어졌다. 따라서 라디에이터의 구조나 모델에 따라 상당한 차이를 보임을 알 수 있다. 또한 라디에이터형상에 따른 압력손실의 관계식⁽¹⁶⁾으로 부터 압력손실을 적용할 수도 있다.

인클로저에서 라디에이터의 내부 형상 전체를 모델링하여 계산을 할 수도 있지만 수치해석을 위한 격자의 증가로 인클로저 내부의 유동해석이 어렵게 된다. 이에 본 연구에서는 엔진제작사로부터 제공된 라디에이터의 압력손실값을 적용하고, 이를 Fluent 에서 제공하는 라디에이터 모델링을 사용하여 계산을 수행하였다. 또한, 라디에이터 송풍기의 경우도 블레이드의 형상으로 부터 회전영역을 설정하여 회전격자계를 사용하여 직접적인 계산⁽¹⁷⁾은 가능하다. 하지만 송풍기를 계산하기 위한 격자의 증가로 많은 시간이 소요되므로 Fluent에서 제공하는 3-D 송풍기모델을 적용하였으며, 송풍기에서 압력증가는 송풍기제작사에서 제공하는 송풍기 성능곡선을 사용하였다.

인클로저내에서 발생되는 열은 2절에서 언급한 조건에 따라 열원의 표면에 적용되었으며, 흡입되는 공기의 온도는 300 K로 설정하였다. 운동량 방정식의 조건은 내부에 송풍기가 작동되므로 입출구에 압력의 조건을 적용하였으며, 압력은 입구와 출구에 설치되어 있는 스크린에 의한 압력손실이 고려되었다. 수치해석 방법은 3절에서 실험과의 비교를 위하여 수행한 계산방식과 동일하게 진행하였다. 격자수에 따른 수렴의 변화는 계산영역에 분포된 8지점을 기준으로 속도와 온도의 수렴으로 판단하였으며, 격자수가 8백만개 이상에서는 차이를 보이지 않았으므로 이 때의 격자계를 사용하였다. Fig. 8은 엔진과 발전기 표면에서의 격자를 보여주고 있다.

Fig. 8  
Grids on the surface of engine-generator

인클로저에서의 냉각을 위한 최소한의 필요 공기량(Q˙)을 PDGS에서 발생하는 열량(H˙)으로부터 식 (2)와 같이 구할 수 있다.

식 (2)에서의 ρ는 공기의 밀도이며, c_p는 비열계수이다. PDGS가 정격 작동하는 경우에 엔진, 라디에이터, 소음기 등에서 발생되는 열량이 209.3 kW이므로, 흡입공기의 온도상승(∆T)을 50 K로 제한한다면 필요공기량은 3.47 m³/s 가 얻어진다. 인클로저의 구조에서 전자장치 등이 앞쪽에 위치하고, 소음기는 분리판 뒤에 위치하므로 공기량은 다소 적어도 되겠지만 외부온도의 변화를 고려하면, 라디에이터 송풍기의 작동에 의하여 얻어야 하는 공기질량은 최소한의 공기질량 4.164 kg/s 보다는 많아야함을 알 수 있다.

인클로저의 입출구를 보여주는 Fig. 5에서 각각의 입구의 명칭을 표시하여 놓았다. 계산의 결과에서 입구 F1에서 흡입되는 공기량은 0.391 m³/s이었으며. 입구 L1∼L3에서 흡입되는 공기량은 각각 0.115, 0.971, 1.377 m³/s가 얻어졌다. 또한 입구 R1∼R4에서는 0.182, 0.337, 0.812, 1.191 m³/s가 얻어졌다. 따라서 흡입되는 총 공기량은 5.376 m³/s가 얻어졌으며 이값은 출구에서의 공기량과 동일하였다. 그러므로 최소한의 필요공기량 보다는 54.9 % 많이 흡입되는 것을 알 수 있다. 발전기의 경우는 인클로저 내부에서 흡기와 배기가 이루어 지므로 총공기질량의 값에는 영향을 미치지 않는다. 6.4512 kg/s의 공기질량으로 식(2)의 방식으로 출구에서 얻어지는 온도상승값은 32.2 K로 예상된다. 계산에서는 출구에서의 질량평균온도를 기준으로 34.1 K가 얻어졌는데 1.9 K 만큼의 차이는 인클로저 내부에서 발생되는 환류로 인한 온도증가로 판단된다.

Fig. 9는 인클로저 앞부분에 위치한 흡입구 F1에서 흡입된 공기의 흐름을 보여주고 있다. 흡입구의 중앙부분에서 흡입된 공기는 발전기의 흡입구(Fig. 1 참조)로 바로 흡입 되어짐을 알 수 있다. F1의 우측면에서 흡입된 공기는 측면의 흡입구 R1에서 흡입되는 공기의 영향으로 좌측상향으로 진행하면서 제어장치1의 표면을 거쳐 엔진의 상부를 지나 송풍기로 흡입되어진다. 반면에 F1의 좌측면에서 흡입되는 공기는 측면의 흡입구 L1의 영향으로 상향하면서 제어장치2를 온도로부터 보호하고 하류의 흡입구 L2와 L3에서 흡입되는 공기의 영향으로 두 흡입구의 중간부분을 통과하여 송풍기에 흡입되어지는 특징을 보이고 있다. 따라서 F1에서의 흡입공기는 발전기 및 제어장치를 온도로부터 보호하는 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9  
Streamlines started at inlet F1

인클로저의 좌측면에 설치된 흡입구에서의 흡입된 공기의 흐름을 Fig. 10에서 보여주고 있다. L1의 흡입구는 발전기와 엔진의 조립위치 근처에 설치되어 있다. 따라서 아래부분에서 흡입된 공기는 엔진의 앞부분을 거쳐 우측으로 진행되고, 우측에 설치된 흡입구 R1과 R2에서 흡입되는 공기의 영향이 미미한 중간영역을 지나 하류로 진행하여 송풍기의 우측부분으로 흡입되어 진다. 반면에 L1의 상부에서 흡입되어진 공기는 제어장치2의 아래부분 표면과 엔진 좌측 앞부분을 거쳐 하류의 흡입구 L2와 L3에서 흡입되는 공기의 흐름을 방해하지 않는 중간영역을 거쳐서 송풍기의 좌측면으로 흡입되어 진다. 따라서 L1에서 흡입되는 공기의 중요한 특징은 엔진의 앞부분과 제어장치2를 온도상승으로부터 보호하는 역할을 하고 있다.

Fig. 10  
Streamlines started at inlets located on the left-hand cover of enclosure (a) at inlet L1 (b) at inlet L2 (c) at inlet L3

Fig. 10(b)는 흡입구 L2에서 흡입된 공기의 흐름을 보여주고 있다. L2의 흡입구는 인클로저 상부에 설치되어 있으므로 흡입된 공기는 엔진의 상부를 지나게 된다. 인클로저의 내부에 설치된 송풍기의 주위는 송풍기덮개가 설치되어 있다. 그리고 뒷부분에는 분리판이 있으므로 송풍기덮개 밖과 분리판의 근처에는 유동이 정체될 수 있는 영역이 형성된다. 이러한 정체영역에서는 유동이 환류형태로 존재하게 되어 인클로저의 성능을 제대로 발휘할 수 없게 한다. 따라서 흡입구 L2에서 흡입되는 공기는 분리판 근처의 인클로저 상부의 정체영역을 해소할 수 있는 특징을 보여주고 있다.

흡입구 L3에서 흡입되는 공기의 흐름은 Fig. 10(c)에서 보여주고 있다. 흡입구 L3는 엔진의 터보챠저가 설치되어 있는 위치에 설치되어 있다. 따라서 흡입되는 공기는 엔진의 좌측 표면에 직접적으로 부딪힌 후 엔진의 표면을 따라 유동이 형성된다. 흡입구의 외부형상이 엔진의 앞부분으로 향하도록 설계되었으므로 유동도 상당부분 엔진의 앞부분으로 진행하여 흡입구 L1에서 흡입되는 유동에 의하여 엔진의 아래부분 공간을 향하게 되고, 이 후 하류방향으로 진행된다. 반면에 상부로 향한 공기는 엔진의 상부영역까지 냉각한 후에 송풍기로 흡입되어진다. 흡입구 L3에서의 흡입공기는 엔진의 좌측면과 좌상부 영역의 냉각에 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 11은 인클로저의 우측면에 설치되어 있는흡입구에서 흡입되어진 공기의 흐름을 보여주고 있다. 흡입구 R1은 발전기의 측면위치에 설치되어 있다. 따라서 흡입되어지는 공기는 발전기의 표면에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 역할을 하고 있다. 아울러 흡입구 F1의 우측에서 흡입되는 공기와 함께 제어장치1의 냉각에 이용된다. 또한 일부의 공기는 엔진의 우측부분으로 유동이 형성되어 하류로 향하게 되는데, 하류에 설치되어 있는 흡입구 L2, L3, L4의 영향으로 이들의 영향이 약한 부분을 통하여 유동이 형성됨을 알 수 있다. 따라서 흡입구 R1에서 흡입된 공기의 주요 역할은 발전기 및 제어장치1의 냉각이다.

Fig. 11  
Streamlines started at inlets located on the right-hand cover of enclosure (a) at inlet R1 (b) at inlet R2

Fig. 11(b)는 흡입구 R2에서 흡입된 공기의 흐름을 보여주고 있다. 밀폐된 공간에서 엔진이나 발전기의 온도가 상승하면 가열된 공기는 상부에 적체하게 된다. 따라서 상부에서 가열된 공기의 적체발생이 쉬운 영역이 제어장치가 있는 영역이 된다. 따라서 흡입구 R2에서 흡입된 공기는 강한 유동으로 인클로저 앞부분 상부영역을 통과하고, 좌측으로 진행하여 라디에이터 밖의 영역을 지나 송풍기에 흡입되어 진다. 따라서 흡입구 R2에 흡입된 공기는 인클로저 상부 정체영역의 해소를 위한 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

흡입구 R3와 R4는 Table 1에서 보여주는 것과 같이 인클로저의 좌측에 설치되어 있는 흡입구 L2, L3와 대칭적으로 설치되어 있다. 따라서 흡입구 R3에서의 흡입된 공기의 흐름은 흡입구 L2에서 흡입된 공기의 유동과 비슷한 유동을 보여준다. 마찬가지로 흡입구 R4의 역할도 흡입구 L3와 동일하다. 아울러 이들의 역할도 대칭적으로 나타나 므로, 공기의 흐름은 Fig. 10(b)와 (c)를 참조하면 된다.

Fig. 12은 발전기의 출구에서 나오는 공기의 흐름을 나 타내고 있다. 발전기 출구에서 흡입되는 공기는 발전기 내부를 냉각한 후 인클로저로 들어오는 공기이기 때문에 엔진의 냉각에는 도움이 되지는 못한다. 하지만 이 공기의 유량은 0.27 kg/s로 흡입공기의 3% 수준이므로, 인클로저 내부의 온도상승에 미치는 영향은 제한적이다. 또한 발전기에서 나오는 공기는 속도가 상대적으로 느리므로 인클로저의 좌우측면에 설치되어 있는 흡입구에서 흡입된 공기와 교차하면서 혼합되어 하류로 진행하고 있음을 알 수 있다. 따라서 이 공기의 역할은 원래의 목적대로 발전기 내부의 냉각에 있다.

Fig. 12  
Streamlines started at generator outlet

Fig. 13는 인클로저의 배출구로 빠져나가는 공기의 흐름을 보여주고 있다. 유선은 모든 흡입구에서 들어온 전체공기가 라디에이터의 송풍기를 거쳐서 출구로 배출되기 까지의 유동을 보여주고 있다. 송풍기는 x축(Fig. 5참조)으로 보았을 때 시계반대방향으로 회전하므로 공기의 흐름은 Fig. 13에서 보는 바와 같이 시계방향으로의 흐름을 유지하고 있다. Fig. 13의 좌측에서 보여주는 그림으로부터 송풍기 바로 앞부분인 엔진 부분에는 송풍기 회전을 위한 벨트와 벨트 보호덮개가 있음을 알 수 있다. 또한 그림의 좌측영역에 회전체 부품들이 많이 장착되어 있으므로, 이것들이 송풍기의 흡입유동을 방해한다. 따라서 x축 방향을기준으로 송풍기의 우측부분으로 지나는 유동이 좌측보다 적게 된다. 따라서 후방에 있는 소음기의 표면온도에서도 우측부분에 냉각이 적게 이루어지고 있음을 알 수 있다.

Fig. 13  
Streamlines heading to the outlet

Fig. 14은 라디에이터에서의 온도분포를 보여주고 있다. 라디에이터는 송풍기의 뒷부분에 위치하는데 터보차져 흡입공기를 냉각하는 라디에이터(Fig. 14의 왼쪽; rad1)와 엔진을 냉각하는 라디에이터(Fig. 14의 오른쪽; rad2)가 있다. 엔진에서 발생하는 열이 많으므로 rad1보다는 rad2가 크고, rad1 으로는 일부의 공기만 지나게 되고 나머지는 rad2로 바로 통과한다. Fig. 5의 좌표계에서 송풍기의 입구위치는 ξ= 0.671에 있으며, rad1과 rad2의 입구면의 위치는 각각 ξ= 0.734 과 ξ= 0.769 에 있다. 라디에이터의 중간부분에 높은 온도영역은 송풍기의 허브의 직경이 송풍기 직경의 30%를 차지하므로 발생된 것이다. 아울러 좌하단부 영역에 형성된 높은 온도는 송풍기 앞부분의 엔진부속품들(Fig. 12의 우측참조)에 의하여 송풍기로 유입되는 유동을 방해하였기에 발생된 것이다.

Fig. 14  
Contours of temperature at the vertical plane of radiator

Fig. 15는 PDGS의 열발생 부품의 표면 온도분포를 보여주고 있다. 발전기의 경우 흡입구 R1이 발전기의 측면에 있으므로 발전기의 우측면에서의 온도가 상대적으로 낮은 온도분포를 보였다. 엔진의 경우는 흡입구 L3, R4가 엔진의 측면에 위치하므로 인하여 엔진의 표면 온도는 엔진의 중앙 측면의 영역에서 표면 온도가 상대적으로 낮은 온도 분포를 보였다. 반면에 엔진의 상부 앞부분으로 흡입공기의 주 유동이 약하므로 인하여 상대적으로 높은 표면온도의 분포를 나타내는 것으로 나타났다. 소음기의 표면온도는 높은 온도영역이 600 K 수준의 높은 온도를 나타내었으나, 이열이 엔진쪽으로 유입되지는 않고 출구쪽으로 배출됨을 알 수 있다. 특히 중요한 부분은 인클로저 내부에서의 공기온도로써, 전자장치영역에는 10 K이하의 온도상승이 있으므로 전자기기의 사용에는 문제가 없는 것으로 판단된다.

Fig. 15  
Surface temperature on main components of the PDGS

Fig. 16은 인클로저의 내부영역의 온도분포를 보기 위하여 Fig. 5의 좌표계를 기준으로 수직한평면에서의 온도분포를 보여주고 있다. η = 0.5의 위치는 인클로저의 중앙 영역이다. 발전기 하단부를 지나는 유동은 연료탱크의 설치로 하류방향이 차단되어 있다. 따라서 이 주위의 영역은 상대적으로 낮은 유속을 갖게 되어 다소 높은 온도의 분포를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 발전기 상부도 엔진에 의하여 하류로 진행하는 유동이 방해 받으므로 높은 온도의 영역이 형성되었다. 이 영역은 엔진 상부 앞부분의 열과 혼합되어 엔진상부에도 높은 온도의 영역이 얻어졌다. 하지만 이 영역들은 전자장치의 영역에는 영향을 미치지 않고 하류로 진행한다. 소음기가 있는 영역에서의 높은 온도영역은 라디에이터에서의 열이 흡입공기에 의하여 하류로 전달된 열임을 알 수 있다.

Fig. 16  
Contours of temperature at vertical plane (a) at η = 0.5 (b) at η = 0.25

엔진의 우측영역은 엔진부속품으로 인하여 송풍기에 흡입되는 유동량이 줄어들어 상대적으로 취약할 수 있는 영역이므로 η = 0.25영역에서의 온도분포를 Fig. 16(b)에 나타내었다. 발전기의 아래 영역은 흡입구 R1의 아래부분이 된다. R1에서 유입되는 공기는 흡입구로 유입되는 빗물방지를 위한 구조로 인하여 위로 향하게 된다. 아울러 연료탱크로 인하여 하류로 향하는 유동은 방해를 받게 되어 높은 온도분포를 보여주고 있다. 하지만 이 온도영역이 상승하여 전자장치 영역에 영향을 주지 못하는 것은 흡입구 L1과 R1에서 흡입되는 공기 때문이다. 소음기 영역에서는 라디에이터에서 전달되는 열은 유동이 많은 송풍기의 위쪽부분에서 형성되고 있음을 알 수 있다. 소음기 주위의 온도분포는 η = 0.5의 영역에서 얻어진 것보다 높게 나타난 것은 송풍기를 지나는 유동량이 상대적으로 적음으로써 발생된 것이다.

Fig. 17은 인클로저 중앙 수직면에서의 정압력 분포를 보여주고 있다. 흡입구보다는 배출구쪽에서 정압력이 높게 형성되었음을 알 수 있다. 이러한 것은 송풍기에 의하여 압력이 상승하였기 때문이다. 엔진이 있는 인클로저 내부의 정압력은 흡입구에 설치되어 있는 스크린에 의하여 대기압보다는 낮은 압력이 형성되었다. 송풍기가 가동되면 인클로저 내부에 있던 공기는 출구쪽으로 흘러가게 되고, 송풍기 영역에는 낮은 정압이 형성되어 흡입구로 부터 공기가 흡입된다. 송풍기에 의하여 얻어진 동압은 송풍기 뒤에 있는 라디에이터에서의 압력손실만큼 감소하게 되고, 이 동압이 소음기가 있는 영역에서 정압으로 바뀌면서 상대적으로 높은 정압이 형성되었다. 이렇게 형성된 정압은 배출구에 설치되어 있는 스크린에 의한 압력감소 만큼 감압되어 배출구를 통과하게 된다. 따라서 송풍기의 동력이 유동을 흡입구에서 배출구까지 형성하는 동력임을 알 수 있다.

Fig. 17  
Contours of static pressure at vertical plane (η = 0.5)