Introduction 

최근 차량의 열적 쾌적성은 승객 만족도뿐만 아니라 에너지 소비와 전기차 주행 가능 거리에 직접적인 영향을 미치는 핵심 개발 항목으로 자리잡고 있다. 이에 따라 HVAC 시스템은 객실 전체를 일괄 제어하는 방식에서 승객 위치를 기준으로 필요한 영역만 선택적으로 공조하는 Occupant-Centric HVAC 방식으로 발전하고 있으며, 객실 내 공조 닥터와 배관 구조도 점차 세분화되고 복잡해지고 있다. KULI 20은 이러한 변화에 대응하기 위해 기존 Advanced Cabin 모델의 적용 범위를 확장하고, 다양한 객실 구성과 공조 네트워크를 보다 정교하게 반영할 수 있는 해석 환경을 제공한다. 본 글에서는 KULI Advanced Cabin 모델의 기본 개념을 시작으로, 3D CFD와 KULI의 연계 방식, KULI 20에서 확장된 기능, 그리고 실제 적용 workflow를 순서대로 소개한다.

■ KULI Advanced Cabin Model 개요

1D Thermal Management Simulation 툴인 KULI는 차량의 열적 쾌적성(Thermal Comfort) 해석을 위해 두 가지 객실 모델을 제공한다. 하나는 객실 전체를 하나의 열적 공간으로 단순화하는 One Zone(이하 Simple Cabin) 모델이고, 다른 하나는 객실을 여러 영역(Zone)으로 세분화하여 공간별 열적 쾌적성을 해석할 수 있는 Multi Zone (이하 Advanced Cabin) 모델이다. (그림 1)

그림 1. KULI에서 지원하는 Cabin 타입과 Thermal Comfort 해석 방법

Advanced Cabin 모델은 객실 내 공간별 공기 분포 특성을 보다 현실적으로 반영하기 위해 3D CFD의 정상상태 유동해석 결과를 활용한다. 이 때문에 CFD 결과를 KULI에서 사용할 수 있는 형태로 전 처리하는 과정이 필요하며, 이는 Advanced Cabin 모델의 정확도와 활용성을 결정하는 중요한 단계가 된다.

또한 Simple Cabin과 Advanced Cabin 모두 1-row, 2-row, 3-row 객실 구성에 대한 기본 템플릿을 제공하므로 다양한 차량 플랫폼에 적용할 수 있다. 다만 기존 Advanced Cabin 모델은 정해진 객실 구조와 공조 분배 체계를 기반으로 구성되었기 때문에, 최근 차량에서 적용되는 다양한 Zone 기반 공조 시스템이나 복잡한 Air Distribution Network를 표현하는 데에는 일부 제약이 있었다. 이러한 한계를 이해하기 위해서는 Advanced Cabin 해석에서 3D CFD와 KULI가 각각 어떤 역할을 담당하는지 먼저 살펴볼 필요가 있다.

■ 3D CFD와 KULI의 연계 방식

열적 쾌적성(Thermal Comfort) 해석에 3D CFD 결과를 활용한다면, 전체 열적 쾌적성 해석도 3D CFD로 수행하는 것이 더 정확하지 않은가 라는 의문이 생길 수 있다. 

물론 3D CFD는 객실 내 공기 유동, 온도 분포, 국부 기류 특성 등을 매우 상세하게 예측할 수 있는 강력한 해석 방법이다. 그러나 차량의 열적 쾌적성을 정확히 평가하기 위해서는 HVAC 시스템 작동에 따른 객실 온도 변화, 차량 운행 조건 변화, 외기 환경 변화 등을 포함하는 장시간의 과도 열전달(Transient Heat Transfer) 현상을 고려해야 한다. 

KULI의 3D CFD 결과는 장시간 과도 해석용이 아닌 정상상태 유동해석 결과이다. 이 결과는 객실 내 공기 분배 특성과 유동 패턴을 반영한다. 특정 운전 조건에서의 CFD 결과로부터 객실 내 공기 분포 특성을 추출하고, 이를 1D 열관리 모델에 적용하여 열적 쾌적성 해석의 정확도를 향상시킨다.

반면 일반적인 차량 열적 쾌적성 평가는 냉방 또는 난방 시작 이후 객실이 목표 조건에 도달하는 과정, 승객의 체감 온도 변화, 태양 복사에 의한 열 부하 변화 등을 함께 고려해야 한다. 따라서 수십 분에서 수 시간에 이르는 시간 영역(Time Domain)의 해석이 필요하며, 이를 순수 3D CFD 기반 과도해석으로 수행할 경우 매우 많은 계산 자원과 해석 시간이 요구된다. CFD 해석 경험이 있는 엔지니어라면 실제 차량 객실에 대한 수 시간 규모의 과도 유동 및 열전달 해석이 상당한 계산 비용을 수반한다는 점을 잘 알고 있을 것이다.

KULI는 CFD를 통해 확보한 공간별 유동 정보를 활용하되, 열 거동 계산은 계산 효율성이 뛰어난 1D 시스템 모델에서 수행한다. 이를 통해 3D CFD 수준의 유동 정보를 반영하면서도 일반적으로 수 시간에 해당하는 열적 쾌적성 시나리오를 수 분 이내에 분석할 수 있다. (3D CFD 해석 시간은 고려치 않는다) 따라서 개발 초기 단계에서 다양한 HVAC 아키텍처, 공조 제어 전략, 객실 구성 조건에 대한 대규모 파라미터 검토와 최적화를 수행할 수 있으며, 정확도와 해석 효율성 사이의 균형도 효과적으로 확보할 수 있다. 이처럼 CFD와 1D 해석을 결합하는 접근 방식은 복잡해지는 최신 차량의 공조 구조를 보다 유연하게 표현할 수 있는 모델링 기능을 필요로 한다.

■ KULI 20에서 확장된 Advanced Cabin 기능

KULI 20에서는 이러한 요구를 반영하여 보다 유연한 Cabin Topology 구성을 지원한다. 사용자는 차량 구조에 따라 다양한 덕트 배치와 공조 영역을 효율적으로 모델링할 수 있으며, 기존 템플릿 중심의 객실 모델링에서 벗어나 차량별 HVAC Air Path와 Air Distribution Network를 보다 자유롭게 구성할 수 있다. 이를 통해 실제 차량의 공조 구조와 Zone 간 유동 연결을 더 현실적으로 반영할 수 있어, 객실 내 공기 분포와 승객 위치별 열적 쾌적성 예측 정확도를 높이는 데 도움이 된다. 그림 2는 최신 SUV 차량에서 KULI Duct Inlet을 배치한 예시를 보여준다.

그림 2. 최신 SUV차량의 KULI Duct Inlet 배치 예시

이와 같이 확장된 객실 토폴로지를 실제 해석에 적용하려면 CFD 결과를 KULI Cabin Data로 변환하고, 이를 Cabin Component에 연결하는 일련의 절차가 필요하다. 다음 절에서는 Advanced Cabin 모델을 구성하는 기본 workflow를 단계별로 살펴본다.

■ Advanced Cabin Model workflow

Advanced Cabin 모델의 적용은 먼저 3D CFD 해석을 통해 객실 내부의 등온 유동장(Isothermal Flow Field)을 계산하는 단계에서 시작된다. 이 과정에서 공기 분배 특성과 공간별 유동 패턴을 확보하며, 이후 KULI 해석에 활용할 기본 유동 정보를 준비한다 (그림 3).

그림 3. 3D 등온 유동장 해석 예시

다음으로 각 Evaluation Surface에서 CFD 결과의 X, Y, Z 방향 유속 성분을 추출하고, 이를 기반으로 객실 내 공기 이동 특성을 나타내는 Flow Field File을 생성한다. Evaluation Surface는 KULI에서 제공하는 템플릿을 기반으로 정의할 수 있다 (그림 4). 일반적으로 X방향은 차량 전방에서 후방 방향으로, Y방향은 좌측 운전석 기준으로 운전석에서 조수석 방향으로 정의한다.

그림 4. Evaluation Surface 정의 방법 예시

생성된 Flow Field File은 KULI에서 제공하는 Excel 기반 변환 매크로를 통해 KULI Cabin Data 형식으로 변환된다. (그림 5)

변환 과정에서는 각 Evaluation Surface를 통과하는 질량 유량(Mass Flow Rate)에 대해 유량 보존(Flow Balance)이 만족되는지 검증한다. 이를 통해 CFD 데이터의 일관성과 KULI Cabin Data의 신뢰성을 함께 확보할 수 있다.

그림 5. Excel 매크로를 통한 Zone 간 유량 정보 변환 및 검증 예시

최종적으로 생성된 KULI Cabin Data는 KULI의 Cabin Component에 입력되어 Advanced Cabin 모델의 유동 네트워크를 구성하게 된다. 이 과정을 통해 CFD에서 계산된 공간별 유동 특성이 KULI의 객실 해석에 반영되며, 다양한 공조 구조에 대한 성능 평가를 효율적으로 수행할 수 있다. (그림 6)

그림 6. 객실 열분포 해석 예시

맺음말

기존 Advanced Cabin 모델은 CFD 기반의 공기 분배 특성을 활용하여 다중 Zone 열적 쾌적성 해석을 지원해 왔다. 하지만 최근 차량에 적용되는 Occupant-Centric HVAC 및 복잡한 Air Distribution Network를 효율적으로 구현하기에는 구성 유연성 측면에서 일부 제약이 있었다. 객실 Zone과 공조 네트워크가 세분화됨에 따라 보다 자유로운 Cabin Topology 구성과 HVAC Air Path 정의에 대한 요구가 증가하고 있으며, KULI 20은 이러한 요구를 반영하여 다양한 객실 구조와 공조 아키텍처를 보다 직관적으로 모델링할 수 있도록 기능을 확장하였다.

이러한 확장성은 승용차뿐만 아니라 농기계, 건설장비, 특수 목적 차량과 같이 객실 형상과 공조 시스템 구성이 일반 승용차와 크게 다른 애플리케이션에서도 유용하다. 특히 비정형 캐빈 구조와 다양한 공조 토폴로지를 보다 유연하게 구현할 수 있어, 장비 운전자의 열적 쾌적성 평가와 HVAC 성능 검증을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

결과적으로 KULI 20의 Advanced Cabin 기능은 3D CFD의 유동 정보를 활용한 해석 정확도, 1D 시스템 해석의 계산 효율성, 그리고 다양한 객실 토폴로지를 표현할 수 있는 모델링 유연성을 함께 제공한다. 이를 통해 최신 차량뿐만 아니라 다양한 산업용 차량의 열적 쾌적성 평가와 HVAC 성능 검증에도 폭넓게 활용될 수 있다.

■참고자료

• https://kuli.magna.com/software 20 Release Notes
• Using CFD Data in Advanced Cabin
• KULI의 3D CFD coupling 방법 소개