[논문]상용 CFD코드를 이용한 냉각홴 공력소음의 발생 및 방사 해석

전완호

doi:10.5293/kfma.2002.5.1.013

문제 정의

본 연구는 저 소음형으로 설계된 냉각 홴을 대상으로수치해석을 이용하여 홴에 대한 유동특성을 파악하고, 시험 결과와의 비교를 통해 본 해석의 정확성을 비교하였다. 해석에 이용된 수치해석 소프트웨어는 범용 열유체 해석용 Gode인 STAR-CD를 이용하였다® 또한, sliding mesh를 사용하여 홴이 회전하는 비정상 유동해석을 수행하여 소음을 예즉하는 기법을 정립하고 소음을 계산한다.
본 연구는 냉각 홴의 유동특성과 소음특성을 구하고자, 범용 열 유체 상용 코드인 STAR-CD를 사용하여홴의 압력과 유량의 변화를 수치 해석하고 비정상 해석 자료를 이용하여 소음값을 계산한 후 그 결과를 시험 결과와 비교한 것이다.

제안 방법

해석에 이용된 수치해석 소프트웨어는 범용 열유체 해석용 Gode인 STAR-CD를 이용하였다® 또한, sliding mesh를 사용하여 홴이 회전하는 비정상 유동해석을 수행하여 소음을 예즉하는 기법을 정립하고 소음을 계산한다. 소음은 기 해석된 비정상 유동장값을입력값으로 사용하여 음향학적 상사법으로 관찰점에서의 음압이 계산되었다.
여기서 식 (2)는 한점 원이 움직이는 경우의 음향장이다. 본 연구에서는 로터의 표면을 작은 영역으로 나누고 각 영역에서의 힘을 사용하여 계산하였다. 위 식은 자유공간이라는 가정하에 소음원의 방사를 예측하는 식이므로 물체가 있는 경우 물체와의 상호작용에 의한 방사효과는.
소음해석을 하기 위해 날개 끝과 쉬라우드의 거리가 2mm, 홴의 회전수가 2400rpm 모델에 대해서만 미끄러짐 격자를 사용하여 약 2.911 초까지의 비정상 해석을 하였다.
이는 식 (2)의 F, 값으로 로터의 비정상 힘이 필요하기 때문이다. 충분한 계산을 위해서 116회전을 계산한 후 마지막 3회전의 값을 이용해서 소음을 예측하였다. 소음예측에 사용되는홴 깃의 힘벡터의 변화값은 각 깃마다 Fig.
6에 각 점에서의 힘의 변화와 힘의 시간 미분 변화량이 나타나 있다. 본 논문에서는 힘을 X, y, Z축 성분으로 나누어서 사용하였다. Z축은 홴의전방을 향하는 성분이고 X, y축은 홴의 회전면에 있는 성분이다.

대상 데이터

비정상 유동 해석을 위해서 미끄러짐 격자 (sliding mesh)를 사용하였다. 해석은 116회전까지 수행되었고, 마지막 3회전의 값이 소음 해석에 사용되었다.
Mbyte)을 이용하였다. 총 328, 000개의 유체 격자로 모델을 구성하였고, 해석의 정확성을 위하여 육면체 격자만을 이용하였었다.
수치 해석에서는 홴은 깃 수가 5개이고 부등피치로제작된 냉각에 사용되는 홴이다. 홴의 회전수는 2400rpm 이고, 유량이 1357 m3/hr , 1600 m3/hr 상태 그리고 날개끝과 쉬라우드의 거리가 2mm, 4mm 그리고 6mm인경우에 대해서, 홴의 회전을 위해 MRF (Multiple Rotating Reference Frame)기법을 사용하여 정상상태에 대한 해석을 수행하였다.

데이터처리

해석에 이용된 수치해석 소프트웨어는 범용 열유체 해석용 Gode인 STAR-CD를 이용하였다® 또한, sliding mesh를 사용하여 홴이 회전하는 비정상 유동해석을 수행하여 소음을 예즉하는 기법을 정립하고 소음을 계산한다. 소음은 기 해석된 비정상 유동장값을입력값으로 사용하여 음향학적 상사법으로 관찰점에서의 음압이 계산되었다.

이론/모형

냉각용 축류형 홴의 유동특성을 해석하기 위해 상용코드인 Computational Fluid Dynamics사의 STAR-CD를 사용하였으며, 회전하는 홴의 해석을 위해 다중회전 좌표계 (Multiple Rotating Frame)를 이용하여해석하였다. 계산에 사용된 형상이 Fig.
3은 홴 날개와 이를 덮고 있는 케이싱 그리고 쉬라우드에서의 격자 모습을 나타내었다. 5개의 날개로 이루어진 축류형홴 날개의 형태는 축 방향에 대해서 비대칭으로 이루어져 있어 격자를 한 날개만 구성하고 이를 각 날개의각도에 따라 복사하여 전체 홴에 대해서 모델링 하였다® 난류해석을 위하여 표준 난류 k-£ 모델을 이용하였다. 경계조건은 Fig.
본 수치 해석에서는 팬의 회전수가 2400rpm이고, 유량이 1357 m3/hr, 1600 m3/hr 상태 그리고 날개 끝과쉬라우드의 거리가 2mm, 4mm, 6mm인 경우에 대해서, 팬의 회전을 위해 MRF (Multiple Rotating Reference Frame)기법을 사용하여 정상상태에 대한 해석을 수행하였다. 이때 한 모델에 대한 소요된 컴퓨터 계산시간 (CPU Time)은 약 15시간 소요되었다.
냉각에 사용되는 홴이다. 홴의 회전수는 2400rpm 이고, 유량이 1357 m3/hr , 1600 m3/hr 상태 그리고 날개끝과 쉬라우드의 거리가 2mm, 4mm 그리고 6mm인경우에 대해서, 홴의 회전을 위해 MRF (Multiple Rotating Reference Frame)기법을 사용하여 정상상태에 대한 해석을 수행하였다. 이때 한 모델에 대한 소요된 컴퓨터 계산시간은 IBM595 EMS5" 약 15시간 소요되었다.

성능/효과

4에 성능예측 결과를 나타내었다. 동일한 유량 조건 (1357IE而)에서 날개 끝과 쉬라우드 사이 거리 변화 (회전속도 2400 rpm에 TC가 2 mm, 4 mm, 6 mm 경우)에 대한 해석의 결과는 시험에서의 표준 홴 모델을 기준으로 하였을 때, 압력의 오차범위가 28%, 15%, 4 %로 그 오차 범위가 줄어듦을 알 수 있었다.
실험값에 의한 소음측정값은 Overall SPL로 72.9 dBA 이고 계산에 의한 값은 65dBA이다. 이 차이는 지지대의소음 발생을 여기서는 고려하지 않았고, 본 계산이 정밀도 때문에 1000Hz이상의 소음값을 예측하지 못하기때문에 발생한다.
비정상 힘의 변화를 보면 지지대와 가까이 있는 앞전 쪽에 주기적인 z방향 힘의 교란이 있음을 알수 있고 홴의 회전으로 X와 y축 힘의 변화는 주기적임을 확인할 수 있었다.
소음신호를 FFT한 결과 비균일 깃의 특성에 해당하는 축 회전 주파수에서 피크가 나타나고 그 조화주파수에 피크가 있음을 확인했다. 또한, BPF에 해당하는 200 Hz에서 큰 피크가 나타남을 확인했다.
피크가 있음을 확인했다. 또한, BPF에 해당하는 200 Hz에서 큰 피크가 나타남을 확인했다.
비정상 해석 결과를 보면깃 앞전의 허브 영역에서유동의 박리가 발생함을 알 수 있다. 이것은 깃에서의받음각이 허브로 갈수록 커지기 때문이다.

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