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문제 정의
- 본 연구에서는 레인지후드용 시로코 홴의 입구영역에 존재하는 모터로 인한 입구영역 봉쇄 (blockage) 가 시로코 홴의 성능에 미치는 영향을 실험 및 수치해석을 통해 파악하고자 하며, 이는 차후 모터설계 및 홴선정의 중요한 설계 데이터베이스 자료로 활용이 가능하리라 판단된다. 홴 성능시험을 위해서는 국제규격인 AMCA210 기준으로 제작된 홴테스터 를 사용하였으며, 수치해석은 상용 유동해석 프로그램인 CFX 5.
제안 방법
- 이산화기법은 2차 이상의 정확도를 가지는 high resolution scheme, 난류 모델로는 유동박리 등의 현상을 비교적 정확히 예측할 수 있는 Shear Stress Transport (SST) k—w 모델을 사용하였다. 경계조건으로 입구에서는 균일한 상태인 대기압을 주었고 출구에서는 질량 유량을 변화시켜 가면서 해석하였다. 수치해석에 사용된 계산 격자는 ICEM CFD4을 사용하였고 격자는 비정렬격자 로 이루어졌으며 격자수는 380, 000 개부터 520, 000 개까지 해석을 수행한 결과, 410, 000개 이상부터는 동일한 해석결과를 확인하였다.
- 해석에 사용된 입구봉쇄 면적 비는 case 3 (0%), case 4 (16%) 및 case 5 (25.6 %)로서 case 3과 4는 시험에서의 case。과 1 같은 입구봉쇄 면적 비를 가지며, case 5 (25.6%)의 경우에 입구봉쇄 면적 비 case 2 (36%)로 못한 이유는 봉쇄의 면적을 크게 할 경우 내부유동이 복잡해지고 이로 인한 수렴의 문제를 발생시켜 수렴 가능한 범위 내에서 적절한 입 구봉쇄면적비로 설정하였다. 실제 해석은 대칭경계면 조건을 적용하여 편흡입의 경우로 해석을 수행하였다.
- DECO 의 경우 입구 유동면적을 기준으로 모터에 의한 입구 봉쇄는 면적비로 약 15%에 해당한다. 모터의 입구 봉쇄 정도가 홴의 전체 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 실제 모터형상과 유사한 실린더 형태의 입구봉쇄 형상을 제작하여, 입구봉쇄 면적비를 변수로 caseO (0%), case 1 (16%) 및 case2(36%)의 경우에 대하여 각각 시험을 수행하였다. 여기서 0%라 함은 모터부분을 분리해 내어서 입구유동의 봉쇄가 전혀 없는 상태를 말한다.
- 유량의 정확한 측정을 위하여 대기압, 온도, 습도를 측정하여 사이크로메트릭차트를 이용하여 공기의 밀도를 정확하게 계산된다. 시험용 송풍기의 회전수를 측정하면서, 유량측정용 노즐차압으로부터 유량을 측정하였으며, 노즐은 다중노즐로 제작하였다. 챔버의 압력을 측정하여 송풍기 정압상승을 측정하고, 전력계를 사용하여 홴의 입력동력을 측정하여 홴의 성능곡선을 구하였다.
- 해석의 입구경계면은 날개 입구영역에 연결된 150 mm 연장덕트의 입구영역으로 설정하였으며, 출구경계면은 홴 볼루트 출구면에서 400 mm 연장된 영역 을 설정하였다. 실제 시험에서는 모터 특성상 유량에 따라 날개 회전수가 변하게 되나, 해석에서는 회전수 1700rpm으로 고정하였으며, 유량 범위는 4, 6, 8 및 1.0CMM으로 설정하여 해석을 수행하였다.
- 6%)의 경우에 입구봉쇄 면적 비 case 2 (36%)로 못한 이유는 봉쇄의 면적을 크게 할 경우 내부유동이 복잡해지고 이로 인한 수렴의 문제를 발생시켜 수렴 가능한 범위 내에서 적절한 입 구봉쇄면적비로 설정하였다. 실제 해석은 대칭경계면 조건을 적용하여 편흡입의 경우로 해석을 수행하였다. 해석의 입구경계면은 날개 입구영역에 연결된 150 mm 연장덕트의 입구영역으로 설정하였으며, 출구경계면은 홴 볼루트 출구면에서 400 mm 연장된 영역 을 설정하였다.
- 측정 가능한 최대 유량은 30CMM이고 인버터 제어 방식에 의해 보조송풍기의 회전수가 제어된다. 유량의 정확한 측정을 위하여 대기압, 온도, 습도를 측정하여 사이크로메트릭차트를 이용하여 공기의 밀도를 정확하게 계산된다. 시험용 송풍기의 회전수를 측정하면서, 유량측정용 노즐차압으로부터 유량을 측정하였으며, 노즐은 다중노즐로 제작하였다.
- 입구봉쇄가 시로코 홴의 성능을 감소시키는 원인을 수치해석을 통한 시로코 홴 내부의 압력장과 속도벡터를 통해서 분석하고자 한다. 유량계수가 0.
- 입구영역의 봉쇄(blockage)가 레인지후드용 시 로코 홴의 성능에 미치는 영향을 시험과 수치해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 입구영역의 봉쇄가 홴의 유동장에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 상용 유동해석코드를 사용하여 입구 봉쇄 면적비에 따른 유동 특성 및 성능변화를 살펴보았다. 해석에 사용된 입구봉쇄 면적 비는 case 3 (0%), case 4 (16%) 및 case 5 (25.
- 시험용 송풍기의 회전수를 측정하면서, 유량측정용 노즐차압으로부터 유량을 측정하였으며, 노즐은 다중노즐로 제작하였다. 챔버의 압력을 측정하여 송풍기 정압상승을 측정하고, 전력계를 사용하여 홴의 입력동력을 측정하여 홴의 성능곡선을 구하였다.
대상 데이터
- 수치해석에 사용된 계산 격자는 ICEM CFD4을 사용하였고 격자는 비정렬격자 로 이루어졌으며 격자수는 380, 000 개부터 520, 000 개까지 해석을 수행한 결과, 410, 000개 이상부터는 동일한 해석결과를 확인하였다. 따라서 격자수는 410, 000개로 고정하여 해석을 수행하였으며, 대략 360, 000개 정도가 홴 내부와 블레이드 주위에 분포되어있다. Fig.
- 본 연구에 사용된 시험 모델은 양흡입 형태의 시로코홴으로서 Fig. 2에 주요 형상을 나타내었다. 실제 시험모델의 경우 모터가 한쪽에만 장착되어 있어 한쪽 부분의 입구영역만이 유동봉쇄(blockage) 효과가 존재하게 되며 이를 모델명 DECO라고 명한다.
- 1에 나타내었다. 성능시험 장비는 국제 규 격인 AMCA210을 만족하게 제작되었고, 송풍기 성 능시험장치는 크게 시험용 풍동, 유량제어용 보조송풍기와 컨트롤러, 댐퍼와 컨트롤러, 각종 센서류 및 유량 제어 및 계측시스템으로 구성된다. 홴의 종류에 따라 배기(exhaust) 와 공급(supply) 모드의 선택이 가능한 구조로 되어 있다.
- 실제 해석은 대칭경계면 조건을 적용하여 편흡입의 경우로 해석을 수행하였다. 해석의 입구경계면은 날개 입구영역에 연결된 150 mm 연장덕트의 입구영역으로 설정하였으며, 출구경계면은 홴 볼루트 출구면에서 400 mm 연장된 영역 을 설정하였다. 실제 시험에서는 모터 특성상 유량에 따라 날개 회전수가 변하게 되나, 해석에서는 회전수 1700rpm으로 고정하였으며, 유량 범위는 4, 6, 8 및 1.
데이터처리
- 3의 계산 격자계에서 볼 수 있듯이 볼루트 출구부의 사각형상 덕트를 그대로 확장하여 사용하였기 때문에 차이가 발생한다. 연결요소에 대한 정압변 화경향은 연결요소만을 수치해석을 수행하여 손실계수를 구하였고 이를 사용하여 해석결과를 보정 후 시험 결과와 비교하였다. 입구봉쇄가 없는 case。과 3의 시험 및 해석 결과를 살펴보면, 정량적으로는 많은 차이를 보이고 있으나 정성적으로 비교하였을 경우 매우 유사한 정압-유량 곡선 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 레인지후드용 시로코 홴의 입구영역에 존재하는 모터로 인한 입구영역 봉쇄 (blockage) 가 시로코 홴의 성능에 미치는 영향을 실험 및 수치해석을 통해 파악하고자 하며, 이는 차후 모터설계 및 홴선정의 중요한 설계 데이터베이스 자료로 활용이 가능하리라 판단된다. 홴 성능시험을 위해서는 국제규격인 AMCA210 기준으로 제작된 홴테스터 를 사용하였으며, 수치해석은 상용 유동해석 프로그램인 CFX 5.6을 사용하였다.
이론/모형
- 압축비가 크지 않은 홴의 유동해석에 주로 사용되는 비압축성 난류 유동의 해석을 위한 3차원 평균 Navier-Stokes 방정식을 사용하였고 상용프로그램 CFX-5.6을 사용하였다. 이산화기법은 2차 이상의 정확도를 가지는 high resolution scheme, 난류 모델로는 유동박리 등의 현상을 비교적 정확히 예측할 수 있는 Shear Stress Transport (SST) k—w 모델을 사용하였다.
- 6을 사용하였다. 이산화기법은 2차 이상의 정확도를 가지는 high resolution scheme, 난류 모델로는 유동박리 등의 현상을 비교적 정확히 예측할 수 있는 Shear Stress Transport (SST) k—w 모델을 사용하였다. 경계조건으로 입구에서는 균일한 상태인 대기압을 주었고 출구에서는 질량 유량을 변화시켜 가면서 해석하였다.
성능/효과
- (1) 수치해석 결과가 시험과 정성적으로 유사한 압력-유량곡선을 나타내고 있으나 정량적으로는 차이를 보이고 있다.
- (2) 레인지후드용 시로코홴에서 모터에 의한 입구 영역의 봉쇄(blockage) 가 증가함에 따라 최고 효율점에서 유량계수가 015에서 0.12로 감소, 최고효율은 최대 26%감소, 최대 유량점의 감소 등 전반적인 홴 성능감소의 원인이 됨을 시험 및 해석을 통해 확인할 수 있었으며, 정량적인 감소량에 대한 데이터베이스를 확보할 수 있었다.
- (3) 해석을 통해 내부 유동을 분석한 결과, 입구 봉쇄의 영향으로 날개로 유입되는 유동이 날개폭을 따라 매우 불균일하게 유입되고 이는 효율감소의 원인이 된다.
- 경계조건으로 입구에서는 균일한 상태인 대기압을 주었고 출구에서는 질량 유량을 변화시켜 가면서 해석하였다. 수치해석에 사용된 계산 격자는 ICEM CFD4을 사용하였고 격자는 비정렬격자 로 이루어졌으며 격자수는 380, 000 개부터 520, 000 개까지 해석을 수행한 결과, 410, 000개 이상부터는 동일한 해석결과를 확인하였다. 따라서 격자수는 410, 000개로 고정하여 해석을 수행하였으며, 대략 360, 000개 정도가 홴 내부와 블레이드 주위에 분포되어있다.
- 고유량점으로 갈수록 차이가 커지기는 하나 시험결과와 해석 결과가 비교적 잘 일치하고 있으며 (easel과 4), 각각의 시험 및 해석 결과로부터 유량 및 입구 봉쇄면적비에 따른 정압감소 데이터베이스를 확보할 수 있다. 시험 결과에서 볼 수 있듯이 case 2(36%)의 경우 최대효 점인 유량계수 0.15에서 30%정도 정압감소가 나타나고 있으며, 유량계수 0.23에서는 최대 90%정도 정압감소가 나타나고 있다.
- 입구봉쇄의 영향은 날개로 유입되는 유동장을 매우 심각하게 교란시키고 있으며 회전방향으로의 변화는 물론 날개축방향 으로도 자오면 속도성분의 변화가 매우 큼을 볼 수 있다. 이러한 유동특성은 홴의 성능저하의 원인이며, 회전방향의 비균일성을 줄이는 날개 및 볼루트 설계와, 축방향으로의 유동변화도 최소화 할 수 있는 허브형상 설계가 필요함을 간접적으로 확인할 수 있다.
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