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문제 정의
- 본 연구에서는 진공청소기에 사용되는 세 가지 종류 터보팬의 유동 특성을 해석하였다. 수정된 모델의 가장 큰 특징은 임펠러 허브 쪽이 쉬라우드 쪽보다 반경 방향으로 안쪽에서 디퓨져와 접한다는 점이다.
가설 설정
- 본 연구에서는 STAR-CD를 사용하였으며 임펠러와 디퓨져 사이의 비정상 상태의 유동을 무시하고 팬의 회전 속도를 고려하여 정상상태, 압축성 유동으로 가정하였다. 해석은 SIMPLE 알고리즘과 e 난류 모델을 적용하였다.
- 유동이 유입되는 팬의 입구 부분에는 입구 경계 조건을, 출구부분에는 대기압으로 가정하여 압력 경계 조건을 적용하였다. 모델 皿의 경우 case 17을 제외한 나머지 경우에는 출구부분에 출구 경계 조건을 적용하였다.
제안 방법
- 그러나 모델 II와 모델 HI의 경우에는 여덟 개의 쌍이 각각 다른 형상이므로 디퓨져와 리턴 채널은 전체 유로를 계산하였다. 각각의 모델에 대해서 임펠러의 입구와 리턴 채널의 출구에 각각 10 cm 길이의 유체 셀을 덧붙여서 유동의 입구부와 출구부를 Fig. 1과 같이 모델링 하였다. 모델 I의 해석 격자수는 400, 000여개이며 모델 II와 모델 IE의 경우에는 890, 000 여 개를 사용하였다.
- 모델 I의 경우 임펠러와 디퓨져 그리고 리턴 채널 모두 임펠러와 리턴 채널은 각각 한 개의 유로를 계산하고 디퓨겨는 두 개의 유로만을 계산했다. 그러나 모델 II와 모델 HI의 경우에는 여덟 개의 쌍이 각각 다른 형상이므로 디퓨져와 리턴 채널은 전체 유로를 계산하였다. 각각의 모델에 대해서 임펠러의 입구와 리턴 채널의 출구에 각각 10 cm 길이의 유체 셀을 덧붙여서 유동의 입구부와 출구부를 Fig.
- 해석 대상은 국내 전자업체의 진공청소기에 사용되는 모델로서 임펠러, 디퓨져, 리턴 채널의 형상이 다른 두 가지 모델과 팬의 소음을 줄이기 위해 그 중 한 가지 모델을 수정한 또 다른 모델이다. 마지막으로 선행 연구에서 얻은 세 가지 모델의 해석 결과와 본 연구에서 얻은 수치 해석 결과를 비교 분석하여 새로 설계된 모델의 타당성을 검토하였다.
- 모델 I, 모델 n, 모델 이의 수치 해석 결과를 각각의 성능 곡선으로 비교하였다. Fig.
- 본 연구에서는 진공청소기에 사용되는 세 가지 터보팬의 임펠러, 디퓨져, 리턴 채널의 내부 유동 해석을 동시에 수행하여 팬 내부의 속도장과 압력분포 그리고 임펠러 출구에서의 유동각을 계산하였다. 해석 대상은 국내 전자업체의 진공청소기에 사용되는 모델로서 임펠러, 디퓨져, 리턴 채널의 형상이 다른 두 가지 모델과 팬의 소음을 줄이기 위해 그 중 한 가지 모델을 수정한 또 다른 모델이다.
- 이경훈 등Se 실험을 통한 원심형 터보기계의 임펠러-볼류트 유동간섭에 대한 연구를 수행하여 볼류트 설치 유무에 따른 디퓨져 내부 유동의 불안정과의 관계를 고찰하였다. 소음에 관한 연구로는 전완호 등⑸이 청소기용 터보팬의 비정상 유동장과 공력 소음을 해석하여 임펠러 내부에서 발생하는 소음이 디퓨져 내부에서의 소음보다 더 심한 사실을 확인하였다.
- Tuncer 등''은 'overset grid'의 개념을 도입하여 일정한 주기로 진동하는 블레이드 주위의 유동을 해석하였으며, 김세진 등®은 원심팬 볼류트의내부 유동에 대한 수치해석을 통하여 볼류트 내부의 불안정성에 대해서 연구하였다. 이경훈 등Se 실험을 통한 원심형 터보기계의 임펠러-볼류트 유동간섭에 대한 연구를 수행하여 볼류트 설치 유무에 따른 디퓨져 내부 유동의 불안정과의 관계를 고찰하였다. 소음에 관한 연구로는 전완호 등⑸이 청소기용 터보팬의 비정상 유동장과 공력 소음을 해석하여 임펠러 내부에서 발생하는 소음이 디퓨져 내부에서의 소음보다 더 심한 사실을 확인하였다.
- 이에 대한 자세한 내용은 참고문헌⑦을 참고하기 바란다. 입구 경계 조건과 회전하는 영역의 벽 경계에는 임펠러 회전에 의한 상대속도를 고려해 주기 위하여 회전 반대 방향으로의 회전속도를 넣어주었으며 임펠러, 디퓨져 그리고 리턴 채널의 일부분 계산 영역으로 전체 영역의 계산 효과를 얻기 위하여 회전 방향으로 주기 경계 조건을 사용하였다. Table 2는 본 연구의 해석 대상을 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 1과 같이 모델링 하였다. 모델 I의 해석 격자수는 400, 000여개이며 모델 II와 모델 IE의 경우에는 890, 000 여 개를 사용하였다.
- 출구에서의 유동각을 계산하였다. 해석 대상은 국내 전자업체의 진공청소기에 사용되는 모델로서 임펠러, 디퓨져, 리턴 채널의 형상이 다른 두 가지 모델과 팬의 소음을 줄이기 위해 그 중 한 가지 모델을 수정한 또 다른 모델이다. 마지막으로 선행 연구에서 얻은 세 가지 모델의 해석 결과와 본 연구에서 얻은 수치 해석 결과를 비교 분석하여 새로 설계된 모델의 타당성을 검토하였다.
데이터처리
- 전체 해석 결과 중 저유량, 중간유량, 고유량 범위에 대한 결과를 비교 분석하였다. Fig.
이론/모형
- 임펠러의 회전 효과를 모델링하기 위해서 'Rotating reference frame'을 사용하였다. 세 가지 모델 모두 임펠러와 디퓨져의 블레이드 개수가 각각 다르므로 'Mixing plane approach'를 적용하였다. 이에 대한 자세한 내용은 참고문헌⑦을 참고하기 바란다.
- 모델 皿의 경우 case 17을 제외한 나머지 경우에는 출구부분에 출구 경계 조건을 적용하였다. 임펠러의 회전 효과를 모델링하기 위해서 'Rotating reference frame'을 사용하였다. 세 가지 모델 모두 임펠러와 디퓨져의 블레이드 개수가 각각 다르므로 'Mixing plane approach'를 적용하였다.
- 해석은 SIMPLE 알고리즘과 e 난류 모델을 적용하였다.
성능/효과
- 모델 이의 경우 저유량 범위에서 모델 Ⅱ에 비해 낮은 압력을 나타내고 있는 반면에 고유량 범위에서의 특성은 거의 비슷하게 나타내고 있다. 따라서 비슷한 작동 범위에서 모델 Ⅱ에 비하 여모델 in이 팬의 소음이 훨씬 유리하다고 할 수 있으며 이는 별도로 수행된 실험 결과에서 확인할 수 있었다. Fig.
- 이는 임펠러와 디퓨져 사이의 유동 간섭에 의한 것이며 팬 소음에 큰 영향을 미치게 된다. 모델 HIe 임펠러와 디퓨져 블레이드의 교차 시간이 모델 Ⅱ에 비해 더 길기 때문에 디퓨져 입구에서의 불균일한 압력 분포가 많이 개선된 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 6은 고유량 조건에서 모델 EI와 모델 m의 임펠러 출구에서의 유동각을 나타낸 것이다. 모델 II에서 축 방향과 원주방향으로 불균일한 유동각이 모델 m에서 오히려 더 심해진 것을 확인할 수 있다. 이는 모델 in이 모델 II와는 달리 블레이드의 허브 반경과 쉬라우드 반경이 다른, 기울어진 블레이드 형상에 의한 결과이다.
- 8은 팬의 top 지점에서의 소음을 측정한 실험 결과®를 FFT 변환을 통해 비교한 그림 이다. 모델 m의 경우 모델 Ⅱ에 비하여 peak 소음뿐만 아니라 광역소음도 많이 저감된 것으로 보아 임펠러 출구 부분을 경사지게 한 효과뿐만 아니라 임펠러 설계가 유로에 맞게 잘 된 것을 확인할 수 있었다.
- 무차원 거리는 디퓨져 하나의 유로에 대해서 디퓨져의 압력면과 흡입면 사이의 위치가 된다. 모델 Ⅱ의 경우 디퓨져 블레이드의 허브 반경과 쉬라우드 반경이 서로 동일하기 때문에 세 개의 곡선이 거의 비슷한 경향성을 보임을 확인할 수 있었다. 그러나 블레이드가 기울어져 있는 모델 in의 경우에는 허브와 쉬라우드 사이에서 상당히 큰 차이를 보이고 있다.
- 7은 세 가지 모델에 대하여 해석으로부터 얻은 유량에 따른 압력을 별도로 수행된 실험 결* 과8와 함께 나타낸 것이다. 성능곡선을 비교한 결과 모델 I과 모델 n 모두 수치해석 결과가 실험결과와 잘 일치하여 본 연구 결과의 타당성을 입증할 수 있었다. 모델 이의 경우 저유량 범위에서 모델 Ⅱ에 비해 낮은 압력을 나타내고 있는 반면에 고유량 범위에서의 특성은 거의 비슷하게 나타내고 있다.
- 기존에 연구된 두 가지 모델의 임펠러 입구 영역에서 발생했던 불균일한 압력분포는 임펠러와 디퓨져를 수정함으로써 많이 개선되었다. 세 가지 모델에 대하여 유량 변화에 따른 압력을 비교한 결과 저유량 조건에서는 모델 in의 압력이 모델 Ⅱ에 비해 낮게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 그러나 중간유량과 고유량 범위에서는 이 두 가지 모델이 거의 비슷한 압력을 얻을 수 있었다.
- 그러나 중간유량과 고유량 범위에서는 이 두 가지 모델이 거의 비슷한 압력을 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 통해 비슷한 작동 범위에서는 수정된 모델이 기존의 모델에 비하여 소음이 덜 발생할 것으로 예측하고 별도로 수행한 실험결과를 통하여 확인할 수 있었다. 임펠러와 디퓨져 블레이드의 교차 부분의 형상이 다른 두 가지 모델의 유동 간섭에 의한 구체적인 소음 특성은 비정상 해석을 통하여 확인할 수 있을 것이다.
- 따라서 임펠러 블레이드와 디퓨져 블레이드의 교차 시간이 길어지고 BPF에서의 압력변동이 완화되어 기존 모델에 비해 소음이 덜 발생하게 된다. 저유량 조건인 경우 임펠러와 디퓨져 블레이드가 축방향으로 평행하게 교차하는 두 가지 모델에서 발생한 임펠러 내부의 유동 박리가 수정된 모델에서 많이 개선되었으나 전체적으로 디퓨져 흡입면에서의 유동 박리는 수정된 모델에서 더 심하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 기존에 연구된 두 가지 모델의 임펠러 입구 영역에서 발생했던 불균일한 압력분포는 임펠러와 디퓨져를 수정함으로써 많이 개선되었다.
- 3은 세 가지 모델의 임펠러와 디퓨져 내부의 상대 속도를 임펠러의 축방향 두께의 중앙 지점에서 나타낸 결과이다. 전체적인 특징을 살펴보면 모델 I에 비해 모델 Ⅱ의 경우 임펠러 출구에서의 유동이 디퓨져 내부로 원활하게 유입되는 것을 알 수 있다. 또한 임펠러 내부의 유동 박리가 모델 in에서 많이 개선되었으므로 팬의 소음이 모델 口에 비해 상당히 줄어들 것으로 예상된다.
- 해석 결과 세 가지 모델 모두 리턴 채널 출구에서 유동 방향이 반경 방향에서 축 방향으로 바뀌는 과정에서 강한 3차원적 와류가 발생하였다. 또한 리턴 채널의 블레이드 개수가 모델 I에 비해 더 많은 모델 n와 모델 in의 리턴 채널 내부에서는 유동 박리에 의한 실속이 발생하였다.
후속연구
- 이는 모델 in이 모델 II와는 달리 블레이드의 허브 반경과 쉬라우드 반경이 다른, 기울어진 블레이드 형상에 의한 결과이다. 모델 Ⅱ에 비해 모델 in이 소음을 줄일 수 있도록 설계되었지만, 이러한 유동각의 불균일성은 추후 개선되어야 할 것이다.
- 이러한 결과를 통해 비슷한 작동 범위에서는 수정된 모델이 기존의 모델에 비하여 소음이 덜 발생할 것으로 예측하고 별도로 수행한 실험결과를 통하여 확인할 수 있었다. 임펠러와 디퓨져 블레이드의 교차 부분의 형상이 다른 두 가지 모델의 유동 간섭에 의한 구체적인 소음 특성은 비정상 해석을 통하여 확인할 수 있을 것이다.
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