오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “내부 강제 공냉”에 대한 것입니다. 자동차 배터리 팩의 경우 별도 수냉식 관을 설치, 관리하는 것보다 자연스럽게 외부 공기를 흡기하여 냉각하는 방식을 선호합니다. 덕트 형상에 따른 관성력에 의해 기류의 방향이 결정되며, 냉각 효과가 한 쪽 방향으로 편중되는 문제가 쉽게 발생할 수 있어 상세한 유동 해석 검토가 필요합니다.
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최근 자동차 배터리팩은 전기차의 성능과 직결되기 때문에 효율화 및 소형화 기술이 매우 중요하게 인식되고 있습니다. 기술 향상과 반대로 고온에 의한 성능 저하나 전지 수명 감소 등의 안전성 이슈로 항상 설계자에게 고민을 주게 됩니다.
자동차의 경우 주행 간 자연스럽게 흡기와 배기를 할 수 있기 때문에 공기를 통한 강제 공랭 방식을 선호하게 됩니다. 내부 강제 공랭 조건에서 가시화된 유동 해석을 통해 설계된 제품의 내부 기류 흐름과 냉각 효과에 대해 이해하고 설계하는 것이 필요합니다.
구조물에 대해 내부 기류 해석 검토는 왜 필요할까요?
구조물 내부 유동 해석을 진행하는 가장 큰 이유는 가시화된 형태로 내부 기류 흐름과 온도 분포를 직관적으로 확인할 수 있기 때문입니다. 일반적으로 설계 단계에서 실험을 통한 검증을 다수 시행하지만, 내부 기류 자체나 내부 부품의 온도는 눈으로 확인할 수 없고 일부 센서나 유량계에 의존해서 확인하고 있습니다.
특히, 내부 기류 가시화는 덕트 형상에 따라 분배 유량과 이에 따른 냉각 효과 검증에 효율적입니다. 강제 공랭 방식에서는 빠르게 움직이는 유체에 의해 표면에서 열을 뺏어가는 역할을 하므로 분배되는 유량이 중요한 역할을 합니다. 여러 셀 등의 발열체가 존재하는 경우 불균형하게 분배되는 유량은 온도가 편중된 결과를 유발할 수 있으며, 이에 따라 일부 부품에서 성능 저하 혹은 수명 감소, 화재 등의 안전성 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.
“강제 공랭” 에 대해 어떻게 정의하고 설계할 수 있을까요?
강제 공랭 방식은 앞서 언급했듯이 유체의 속도와 구조물과의 접촉되는 면이 가장 중요합니다. 속도가 빠를수록 접촉면이 넓을수록 많은 열이 뺏어 이동할 수 있는 것입니다. 해석 관점에서는 유로의 형상과 유체의 물성값 및 흐름에 대한 조건이 매우 중요하게 작용합니다. 해석을 통해 유로 내 위치 별 속도 분포와 함께 구조물의 온도 분포까지 상세 확인이 가능하며, 형상 설계안 변경에 따라 속도 및 온도의 영향성을 쉽게 확인할 수 있습니다.
그렇다면, 구조물의 내부 강제 공랭에 대해서 어떻게 해석 검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제 모델은 자동차 배터리 팩으로 16.63m/s로 배기 된다는 가정 하에 내부 유로에 대하여 해석 검증한 예제입니다. 가시화된 내부 유체 흐름 분석과 함께 덕트(duct) 내 분기 구간에서의 분배 유량은 물론 전체적인 배터리 셀의 온도 분포까지 확인하는 것을 해석의 목표로 하고 있습니다. 그렇다면, 내부 강제 공랭 조건에 대하여 유동 해석으로 어떻게 확인하고 검증할 수 있는지 자동차 배터리 팩 예제와 함께 진행해보도록 하겠습니다.
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