FLOW360를 활용한 자동차 HVAC 시스템의 공력 소음 해석
1. 개요
본 사례 연구에서는 차세대 GPU 네이티브 CFD 솔버인 FLOW360을 활용하여 HVAC 시스템의 공력 소음 해석을 수행하였습니다. FLOW360은 대규모 병렬 GPU 연산을 통해 비정상 유동 해석을 빠르고 정확하게 수행할 수 있으며, 이를 통해 HVAC 공력 소음의 주요 원인을 비용 효율적으로 연구할 수 있습니다.
배경
차량 전동화가 가속화되면서 기존의 엔진 소음과 이에 따른 구조적 진동은 크게 줄어들었습니다. 그 결과, 과거에는 엔진 소음에 의해 가려졌던 2차 소음원이 승객 쾌적성에 중요한 요인으로 부각되고 있습니다. 대표적인 사례가 자동차 HVAC(공조) 시스템 내부에서 발생하는 공력 소음입니다.
자동차 HVAC 시스템의 공력소음은 송풍기(blower) 자체 외에도, 덕트 내부 구조물에 의한 유동 박리 및 와류로 인해 광대역 소음이 유발되고, 경우에 따라서는 tonal noise까지 발생하게 됩니다. 이러한 현상은 차량 실내의 음향 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.
문제점
기존의 HVAC 소음 해석은 무향실 시험이나 고정밀 CFD와 음향 해석의 결합에 의존해 왔습니다. 그러나 전통적인 CFD–음향 연계 해석은 계산 비용이 매우 크며, 다양한 설계 개념을 초기 단계에서 탐색하기에는 현실적인 제약이 많습니다. 이로 인해 여러 덕트 형상을 검토하거나 다양한 운전 조건을 최적화하기가 어려웠습니다.
해결 방안
최근 GPU 컴퓨팅의 발전으로, 대규모 병렬 연산이 가능해지면서 CFD 해석의 계산 비용과 계산 시간이 크게 감소하였습니다. 이에 따라 GPU 네이티브 CFD code 중 하나인 FLOW360을 활용하여 HVAC 시스템 내부의 공력 소음을 직접 예측해 보고자 합니다. FLOW360은 비정상 유동 해석에 최적화되어 있어, 덕트 내부의 복잡한 유동 현상과 이에 따른 소음 발생 메커니즘을 효과적으로 포착할 수 있습니다.
2. Geometry and Grid
본 연구에서 사용한 모델은 독일 자동차 회사 컨소시엄이 주축이 되어 수행한 연구에 사용된 모델로써, 90도 굴곡을 가진 사각 덕트로 구성되며, 내부에는 와류 생성을 위해 플랩이 설치되어 있습니다. GPU 메모리를 절감하기 위해 전산해석 영역은 반구(half-sphere) 형태로 단순화되었으며(그림 1), 덕트 벽면 플랩 주변에는 마이크로폰이 배치되어 소음 계측이 가능하도록 구성되었습니다.(그림 2).
격자는 덕트 내측 굴곡부, 플랩, 그리고 출구 영역에서 특히 조밀하게 구성되어, 플랩에 의해 유도되는 와류 형성과 압력 전파를 정밀하게 포착할 수 있도록 구성하였습니다.(그림 3). 자세한 실험 구성 및 수치 해석 방법에 대한 내용은 Jäger et al. (1) 등이 발표한 논문을 참고하여 주시기 바랍니다.
3. Solver Setting
본 사례 연구에서는 Implicit LES 난류모델을 적용하여 유동장/압력장을 계산하였습니다. Flow360 CFD 코드는 밀도 기반 나비에-스토크 GPU 네이티브 CFD 솔버로, 본 해석에서 사용한 세부 스킴은 아래와 같습니다.
격자 및 이산화 방법
- 격자 체계: 노드 중심 비정렬 격자 (node-centered unstructured grid system)
- 수치 기법: 2차 정확도의 유한체적법 (second-order finite volume method)
- 대류항: Roe Riemann 방법
- 점성항: 중심 차분법 (central difference method)
- 공간 이산화: MUSCL 외삽법
시간 이산화 및 계산 조건
- 시간 간격 (Time step): Δt = 1.0 × 10⁻⁴ s
- 계산 하드웨어: NVIDIA A10 GPU 2개
- 계산 소요 시간: 9,600 step (0.96 s 물리시간) 해석에 약 6시간
4. 해석결과
음압 스펙트럼 결과를 보면 전체 주파수 대역에서 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 Flow360이 곡관 및 Flap에 의해 발생하는 와류를 적절하게 모사할 수 있음을 시사합니다.
저주파수(100 Hz 이하) 영역에서는 일부 불일치가 관찰되었는데, 특히 마이크로폰 2의 경우 25 Hz 펄스에서 최대 약 5 dB의 차이가 나타났습니다. 그러나 이는 짧은 샘플링 시간으로 인해 매우 낮은 주파수에서 높은 정확도를 달성하기 어려웠기 때문으로 판단됩니다. 그럼에도 불구하고 약 80 Hz 부근의 피크는 모든 마이크로폰에서 올바르게 예측하고 있습니다.
특히 100 Hz 이상의 주파수 영역에서는 광대역 소음 특성이 실험 곡선과 매우 유사하게 예측되었으며, 다른 CFD 코드에 비해 예측 성능이 탁월한 것을 확인할 수 있습니다.
5. 결론
본 사례 연구는 Flow360이 HVAC 시스템 내부에서 발생하는 소음을 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 시사하고 있습니다. 측정 지점에서 예측된 음압 스펙트럼은 실험값과 매우 유사하게 나타났으며, 이는 GPU 네이티브 CFD 솔버인 Flow360이 짧은 시간 안에 공력 소음을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있음을 입증하는 사례라고 할 수 있습니다.
(1) Anke Jaeger, Friedhelm Decker, Michael Hartmann, Moni Islam, Timo Lemke, Joerg Ocker, Volker Schwarz, Frank Ullrich, Bernd Crouse, Gana Balasubramanian, Fred Mendonca and Roger Drobietz. "Numerical and Experimental Investigations of the Noise Generated by a Flap in a Simplified HVAC Duct," AIAA 2008-2902. 14th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (29th AIAA Aeroacoustics Conference). May 2008.