차량 내부의 열전달 및 열쾌적성에 미치는 파장복사효과 :Spectral radiation effect on heat transfer and thermal comfort in the passenger compartment

이진운

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이진운 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 이성혁

발행연도: 2014

저작권: 중앙대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수23

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2014

차량 내부의 열전달 및 열쾌적성에 미치는 파장복사효과

이진운 기계공학부 열/유체/에너지 전공 2014.01 학위논문

2013

파장별 태양복사를 고려한 차량 내부의 열 쾌적성 해석

이진운 , 유홍선 , 이성혁 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2013.05 학술대회자료

2012

파장별 태양복사를 고려한 차량 내부의 온도 및 열쾌적성 예측

이진운 , 장은영 , 김종민 외 6명 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2012.11 학술대회자료

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본 학위 논문의 주목적은 파장 효과를 고려한 태양복사의 복합열전달 특성을 조사하고 태양복사를 받는 차량 객실의 열쾌적성을 평가하는 것이다. 차량 유리의 파장 특성을 분석하기 위해, 분광 광도계 (spectrophotometer)를 이용하여 3종류의 차량 유리에 대해서 투과율과 반사율을 측정하였다. 측정된 데이터와 구분종좌표법(Discrete ordinate method) 복사 모델을 이용하여 다양한 조건의 복합 열전달에 대해 수치해석 연구를 수행하였다. 결과로부터, 표준 태양복사(ASTM G173)는 280 nm에서 2500 nm 사이의 파장 범위에서 99%의 태양복사 에너지는 집중되어 있으며 약 50% 이상의 태양 복사가 근적외선 영역에서 투과되거나 흡수되는 것을 확인하였다.
특히, 파장별 복사 특성을 조사하기 위해 유리를 가지는 사각 캐비티에서의 열유동 분포에 대하여 선행 연구를 수행하였다. 수치해석 결과, 파장 효과를 고려한 케이스의 캐비티 중앙 높이에서의 온도가 고려하지 않은 케이스보다 약 6°C 높게 예측되었다. 또한, 파장효과를 고려한 케이스에서 파장에 따라 유리의 광특성과 흡수되는 복사 에너지의 달라지기 때문에 유리 표면에서의 총 열전달량이 증가한다.
본 학위 논문의 핵심 내용은 열쾌적성 해석을 위한 차량 객실에서 태양 복사와 차량 유리의 파장 효과가 차량 객실 내 유동과 온도 분포에 영향을 분석을 위한 수치해석이다. 파장별 태양 복사를 효과로 인하여 운전자와 승객 주변의 온도가 약 2~3°C 증가하였다. 앞서 언급한 것처럼, 사람의 체온 조절은 아주 좁은 범위인 1°C 내외에서 유지되기 때문에 이 작은 온도차이는 열쾌적성 해석에서 큰 영향을 미친다. 그래서, 파장별 태양복사 효과는 아주 중요하며, 정확한 수치해석 결과를 기준으로 열쾌적성 평가 예측 시 민감한 요소이다.
Fanger 모델을 이용하여 열쾌적성을 해석할 경우, PMV는 공조시스템 조건에 따라 차량 냉방 시 감소하며 승객의 열쾌적성에 밀접한 관련이 있는 얼굴 주변에서의 온도 변화 경향과 유사하다. 파장효과를 고려한 케이스의 PMV값은 파장 효과를 고려하지 않은 경우보다 약 0.5 높게 나타났다. 하지만, 동일한 수치해석 결과를 이용하여 등가온도 모델의 열쾌적성 결과는 Fanger 모델의 적용한 열쾌적성 결과와는 다르게 10분 이내에 모든 케이스가 쾌적 범위에 도달하였다. 이것은 파장 효과를 고려한 정확한 수치해석 결과의 중요성을 나타낸다. 또한, 등가온도 모델은 신체 각 부위의 온도 변화와 쾌적 범위를 고려가능하기 때문에 차량 객실 내 열쾌적성 평가 시 더 유용하다.

The main objectives of the present study were to numerically investigate the combined heat transfer characteristics under solar radiation considering spectral effect, and to evaluate the thermal comfort in the passenger compartment. To achieve these objectives, transmittance and reflectance for different glass types were measured to analyze the spectral characteristics of automotive glass using a spectrophotometer. Based on measurement data, extensive computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted for various cases using the commercial CFD software (ANSYS Fluent 13.0) with the use of the discrete-ordinates (DO) method in solving radiative transfer equation (RTE). From the results, it was found that 99% of solar energy existed in the wavelength between 280 nm and 2500 nm according to the standard solar irradiation (ASTM G173), and approximately 50% of solar radiation was transmitted and absorbed in the near-infrared region.
To examine the importance of spectral radiation effect, preliminary analysis of a square cavity with glass was carried out in this study. The numerical results showed that the estimated temperature considering spectral effect at mid-height of the cavity increased by 6°C compared with the case where the gray model was used. In addition, the total heat transfer rate at the glass surface inside the cavity was enhanced because of substantial change in the absorbed radiation energy as well as optical property with wavelength.
On the basis of preliminary test results, extensive CFD simulations were conducted, as main part of this study, to investigate the influence of spectral solar radiation and properties of glass on the air flow and temperature distributions in the passenger compartment, for thermal comfort analysis. It was found that the estimated temperature near the driver and passengers increased by approximately 2 to 3°C when the spectral solar radiation was considered. As noted, even a very small temperature range becomes important because human thermoregulation exists in a very narrow limit of around 1°C. It was thus noted that the spectral solar radiation effect must be one of the important and sensitive factors for accurate prediction of thermal comfort levels, which can be determined based on the accuracy of CFD results.
With the regard to the thermal comfort analysis using Fanger’s model, the PMV index decreased with time during cooling process (regarding HVAC) and showed a very similar tendency with the change in the air temperature measured at the face, which is highly associated with passenger thermal comfort. When the spectral radiation effect was considered, the estimated PMV was approximately 0.5 higher than that without considering the spectral effect. Even if the same CFD results were used, the equivalent temperature model showed that all the cases reached the thermal comfort zone within 10 minutes, which was faster than the results obtained when Fanger’s model was used, showing a small difference in the thermal comfort evaluation. This shows that the accuracy of CFD result considering spectral radiation effect would be important. Moreover, the equivalent temperature model would be more useful in analyzing the thermal comfort in the passenger compartment because it can consider the spatial variation of local temperature, which determines the comfort levels.

1 INTRODUCTION 1
1.1 BACKGROUND 1
1.2 PREVIOUS STUDY 6
1.3 OBJECTIVE AND SCOPE 13
2 MEASUREMENT AND THEORETICAL ANALYSIS 19
2.1 SAMPLE PREPARATION 19
2.2 MEASUREMENT OF THE OPTICAL PROPERTIES 21
2.3 SPECTRAL RADIATION CHARACTERISTICS OF AUTOMOTIVE GLASS 24
3 MATHEMATICAL REPRESENTATION AND NUMERICAL METHOD 41
3.1 MODELS OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS 41
3.2 THERMAL COMFORT MODELS 45
3.2.1 Literature Survey 45
3.2.2 Fanger’s Model 50
3.2.3 Equivalent Temperature Model 53
3.3 GRID GENERATION 56
3.4 NUMERICAL DETAILS 58
4 RESULTS AND DISCUSSION 78
4.1 PRELIMINARY TEST FOR A SQUARE CAVITY 78
4.1.1 Calculation domain and Boundary Conditions 78
4.1.2 Spectral Radiation Effect on Flow and Thermal Characteristics 79
4.2 FLOW AND TEMPERATURE FIELDS IN THE PASSENGER COMPARTMENT 82
4.2.1 Validation of the CFD Results 82
4.2.2 Spectral solar radiation effects 85
4.3 THERMAL COMFORT ANALYSIS 90
4.3.1 Transient Behavior of Flow and Temperature under HVAC Conditions 90
4.3.2 Calculated PMV and PPD for Thermal Comfort 94
4.3.3 Calculated Equivalent Temperature for Thermal Comfort 96
5 CONCLUSIONS 136
APPENDIX 138
REFERENCES 142
국 문 초 록 150

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