배터리 냉각

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개요

본 예제는 공기로 원통형 배터리를 냉각시키는 현상을 모사한 다중영역(multi-region)으로 계산하는 문제이다. 공기가 발열이 일어나는 배터리 주변을 지나가며, 배터리 온도를 낮춰준다.

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multi-phase Model)]은 [None]을 선택한다.

격자는 주어진 constant 폴더를 활용한다. 다중영역(multi-region) 문제이기 때문에 polyMesh 폴더가 아닌 constant 폴더를 사용한다. 상단 탭에서 [파일(File)]-[격자 불러오기(Load Mesh)]-[OpenFOAM]을 순서대로 클릭하고 constant 폴더를 선택한다.

격자는 baramMesh에서 만든 격자이다.

기본조건(General)

정상상태(Steady)를 선택한다. 중력(Gravity)에 (0 0 -9.81)을 입력한다. 작동압력(Operating Conditions)은 101325를 사용한다.

모델(Models)

난류 모델은 디폴트 조건인 standard $k-\epsilon$ 모델을 사용한다. 다중영역(multi-region) 문제에서 Energy는 자동으로 Include 된다.

물질(Materials)

Battery 재료 및 물성치를 설정한다. 오른쪽 상단의 (+) 아이콘을 눌러 aluminum를 선택하고 [물질 추가(Add Materials)] 버튼을 눌러 aluminum를 추가한다.

이름은 Battery, 밀도는 2500, 비열은 800, 열전도도는 2.5로 각각 변경한다.

공기는 밀도 (Density)를 Perfect Gas로 변경한다.

셀 존 조건(Cell Zone Conditions)

Battery가 1~5번 그리고 fluid 영역 1개로 총 6개의 영역(Region)이 있다. battery1을 클릭하고 Material은 battery로 변경한다. 또한, Source Terms에서 Energy를 켜주고 전체 영역 (Value for Entire Cell Zone)에 100 W를 설정해준다. 같은 작업을 나머지 4개의 배터리에도 똑같이 수행해준다.

경계조건(Boundary Conditions)

각 영역별로 경계면들이 표시된다.

영역의 경계인 Battery_*_surface은 두 영역에 쌍을 이루는 경계면이 있다. 이들은 [Thermo-Coupled Wall] 조건을 사용한다.

경계면의 쌍은 다음과 같다.

  • 각 battery 영역들의 Battery_*_surface
  • fluid 영역의 Battery_*_surface_slave

아래 그림과 같이 설정한다.

하나의 경계면에 대해서 설정하면 대응되는 경계면도 자동으로 설정된다.

유동의 입구인 inlet은 [Flow Rate Inlet] 조건을 사용한다.

  • tube_in : Volume Flow Rate은 0.0277, temperature는 293, turbulent intensity는 1, turbulent viscosity ratio는 10

유동의 출구인 Outlet은 [Pressure Outlet] 조건을 사용하고 압력은 0으로 준다.

나머지는 모두 [Wall]의 디폴트 조건인 No Slip 조건을 사용한다.

수치해석 기법(Numerical Conditions)

모두 디폴트 조건을 사용한다.

모니터(Monitor)

Battery 별 최고 온도를 모니터링한다.

[추가[Add]]에서 Volumes를 선택하고 [Report Type]은 Maximum, [Field Variable]을 Temperature, [Volumes]에 battery1을 선택한다. 같은 방법으로 나머지 battery 4개에 대해서 모니터링을 설정한다.

초기화(Initialization)

초기조건은 다음과 같이 설정한다.

fluid 영역

  • Velocity : (0.92 0 0)
  • Pressure : 0
  • Temperature : 293
  • Scale of Velocity : 0.92
  • Turbulent Intensity : 1
  • Turbulent Viscosity Ratio : 10

batttery 영역

  • Temperature : 293

계산

메뉴의 [병렬연산(Parallel)]-[환경설정(Environment)]를 클릭하고 원하는 코어수를 입력한다.

[계산 조건(Run Conditions)]은 다음과 같이 설정하고 [계산시작(Start Calculation)] 버튼을 누르면 계산이 시작된다.

  • 계산회수(Number of Iterations) : 2000
  • 자동 저장 간격(Save Interval) : 200

계산이 시작되면 아래와 같이 잔차(residual) 그래프가 그려진다.

후처리

Results에서 [Scaffolds]-[Add]-[Plane] 버튼을 클릭한다.

Origin은 (0 0 0.05)를 입력하고, Normal은 (0 0 1)을 입력한다.

Graphics으로 넘어가서 [Add] 버튼을 누른다.

Color by는 Temperature, Scaffolds에서 방금 생성한 scaffolds 면을 선택한다.

아래 그림과 같이 채널 내부, 배터리 주변에서 온도 분포를 확인할 수 있다.