[논문]차량용 공조장치의 유동소음 해석 사례: 블로워 소음과 덕트 소음

박정용; 박수조

doi:10.5293/kfma.2004.7.6.077

문제 정의

상용 CFD 프로그램인 SCRYU Tetra V4⑺를 이용하여 유동장을 계산하였으며 계산된 유동장의 압력 값으로부터 음향 상사기법 을 이용하여 음압을 예측하였다. 또한 무향실에서의 실험을 통해 예측된 값을 검증하고자 하였다.
모든 경우에 대해서 실험을 수행하여 해석의 정확성을 검증하고자 하였다. 다만 해석 결과는 실험과 달리 자유 음장에서의 음압 값이라는 점을 고려해야 한다.
본 연구에서 다룬 세 가지의 해석 대상에 대해서 해석 조건 및 결과를 소개한다. 결과에 있어서는 주요소음원의 위치와 음압 값을 주로 다루기로 한다.
여기서는 유동 해석 결과로 나온 압력 값으로부터 음압을 계산해 내는 음향 상사에 대해서 간단히 소개하고, 이어서 본 연구의 해석 방법 및 실험 방법에 대해서 소개한다.

제안 방법

각각의 실험 및 해석에 있어서 마이크의 위치는, 블로워 단독의 경우는 토출구 전방 1 m, 나머지 덕트 유동의 두 경우는 운전자 오른쪽 귀에 해당하는 위치로 하였다 (Fig. 1 참조) . 본 연구에서 얻어진 모든 소음 데이터는 A-weighting 방법으로 보정하였다.
0e-5 초로 하였다. 또한 소음 계산을 위한 비정상 유동해석은 총 1000 time step 동안 계산하였다.
본 연구에서는 자동차의 공조장치 소음 중에서 블로워 소음과 덕트 소음 각각에 대해서 주요 소음 원의 위치와 크기를 예측하였다. 상용 CFD 프로그램인 SCRYU Tetra V4⑺를 이용하여 유동장을 계산하였으며 계산된 유동장의 압력 값으로부터 음향 상사기법 을 이용하여 음압을 예측하였다.
본 연구에서는 차량 공조 장치의 블로워, 환기 모드 덕트 유동, 제상 모드 덕트 유동 각각에 대해서 소음을 계산하였으며 실험과 비교하였다. 고체 벽으로 인한 효과가 상대적으로 적은 블로워의 경우 해석이 실험과 잘 일치하는 것으로 나타났으며 덕트 유동에서는 소음원의 위치와 크기를 알 수 있었다.
475e-5초이며 입구 경계 조건은 유량 조건 (220CMH), 출구 경계 조건은 대기압 조건이다. 블로워의 회전을 모사하기 위해서 휠 근처의 영역을 회전 영역으로 선정하고 회전 영역과 정지 영역의 경계면을 불연속 격자 (discontinuous mesh)로 처리 하였다.
0e -5초로 하였다. 소음 계산을 위한 비정상 유동해석은 총 1000 time step 동안 계산하였다.
같다. 우선 정상 상태의 유동장을 계산한 후 유동 분포 및 압력 분포로부터 예상 소음원의 위치를 선정한다. 이 위치는 해석 과정에서 'soundwall'로 지칭되며 이후 비정상 상태 해석 시에 압력 값이 저장되게 된다.
나타낸다. 유동 속도가 너무 크지 않은 대부분의 유동에서는 쌍극이 가장 주도적인 것으로 알려져 있으며 본 연구에서는 쌍극만을 고려하였다. 에 경우 식 (1)은 식 (2)와 같이 단순화 될 수 있다.
이르도록 하였다. 이후에 휠이 2회전하는 시간 동안 비정상 상태 유동 해석을 수행하면서 소음 해석에 사용될 압력 값을 저장하였다.
일정 시간 동안 정상 상태 유동해석을 수행한 후이를 초기 조건으로 하여, 휠이 3회전하는 동안 비정상상태 유동해석을 수행하여 유동장이 통계적 정상 상태에 이르도록 하였다. 이후에 휠이 2회전하는 시간 동안 비정상 상태 유동 해석을 수행하면서 소음 해석에 사용될 압력 값을 저장하였다.

대상 데이터

블로워 케이싱 (휠은 없음), HVAC 유닛, 제상 덕트, 승객실 일부로 이루어져 있으며 경계 조건으로 입구에서는 316CMH의 유량 조건을 사용하였으며 출구에서는 대기압 조건을 사용하였다. 덕트 출구가 좁고 유동 속도가 빨라서 격자를 매우 조밀하게 사용하였으며 전체 격자 수는 약 835만개이다. 유동 해석에는 95 시간 정도가 소요되었으며 시간 간격은 dt=5.
본 연구에서 다룬 해석 대상은 블로워 소음, 환기 모드 작동 시 HVAC 유닛 및 환기 덕트에서 발생하는 소음, 그리고 제상 모드 작동 시 제상 덕트 및 차량 전면 유리 (windshield glass) 에서 발생하는 소음이다.
해석에 사용한 격자 수는 약 350만개 이며 난류 모델은 표준 k- £ 모델을 사용하였다. 계산에 사용한 컴퓨터는 Pentium IV 3.
블로워는 휠 (wheel) 과 케이싱 (casing) 으로 구성되어 있으며 휠은 43개의 날개를 갖는다. 해석에 적용한 회전수는 2793rpm이며 이때의 유량은 220CMH이다. 해석 영역의 입구는 휠 직경의 2배인 0.

이론/모형

1 참조) . 본 연구에서 얻어진 모든 소음 데이터는 A-weighting 방법으로 보정하였다.
사용된 전체 격자 수는 약 200만개이며 난류 모델로는 표준 k-£ 모델을 사용하였다. 유동 해석에는 12시간 정도가 소요되었으며 시간 간격은 dt=5.
크기를 예측하였다. 상용 CFD 프로그램인 SCRYU Tetra V4⑺를 이용하여 유동장을 계산하였으며 계산된 유동장의 압력 값으로부터 음향 상사기법 을 이용하여 음압을 예측하였다. 또한 무향실에서의 실험을 통해 예측된 값을 검증하고자 하였다.

성능/효과

계산하였으며 실험과 비교하였다. 고체 벽으로 인한 효과가 상대적으로 적은 블로워의 경우 해석이 실험과 잘 일치하는 것으로 나타났으며 덕트 유동에서는 소음원의 위치와 크기를 알 수 있었다.
1에 정리하였다. 대부분의 소음은 덕트 출구로 부터의 고속 유동이 충돌하게 되는 전면 유리에서 발생하는 것으로 나타났으며 덕트의 경우는 환기 모드 덕트에서와 같이 덕트 분기 부분에서 큰 소음이 발생하는 것으로 나타났다.
소음 해석 결과 덕트 출구 그릴에서는 소음이 거의 발생하지 않고 HVAC 유닛과 덕트 입구부에서 대부분의 소음이 발생하는 것으로 나타났다. Fig.
5 dBA이다. 스펙트럼을 살펴보면 날개통과주파수는 두 경우 모두 일치하고 그 주파수에서의 음압 값은 50 dBA (해석) 와 46.4 dBA (실험)으로 4 dBA 이내에서 잘 일치함을 확인할 수 있다. 실험의 경우, 일반적으로 회전 속도가 정확하게 고정되지 않고 조금씩 변하기 때문에 날개통과주파수에서의 피크 형태가 약간뭉게 지는 경향이 있다.
실험 결과의 전체 음압레벨 (overall sound pressure level)은 62.8 dBA이고 해석 결과는 59.5 dBA이다. 스펙트럼을 살펴보면 날개통과주파수는 두 경우 모두 일치하고 그 주파수에서의 음압 값은 50 dBA (해석) 와 46.

후속연구

절약할 수가 있게 된다. 향후에는 본 연구에서 얻어진 소음원의 정보를 이용하여 음장 해석을 수행할 예정이다.

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