[논문]제트홴 소음기 형상이 성능에 미치는 영향

오인규; 최영석; 김준형; 양상호; 권오명

doi:10.5293/kfma.2010.13.6.025

문제 정의

터널 내부 환기 목적은 자동차에서 배출되는 일산화탄소(CO), 매연 등의 오염물질을 터널 외부로 방출시켜 쾌적하고 안전한 주행 환경을 유지하는데 있다. 또한 화재 시 배연 효과와 함께 비상시 인명의 안전 확보 및 유지 관리를 위하여 오염물질의 농도를 기준치 이하로 낮추는 것이다. 따라서 터널 계획 및 건설 시에는 반드시 적절한 환기 대책이 요구되어 진다.
본 연구는 지식경제부지정 고효율 저소음 송풍기 개발 사업의 일환으로 수행됨.
본 연구를 통하여 제트홴 소음기 형상 설계변수가 제트홴 성능에 미치는 영향에 대하여 알아보았으며, 결과는 다음과 같다.
본 연구에는 소음기의 소음특성은 배제하고, 제트홴 공력성능 관점에서 원뿔형태의 소음기 설계 변수를 정립하고 소음기 형상이 제트홴 공력 성능에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 연구 수행을 위하여 실험계획법을 사용하였으며, 생성된 실험 set에 대하여 수치 해석을 이용한 성능평가를 수행하였다.
실제 소음기는 표면이 타공판으로 되어있어 거칠기를 가지고 있으나, 본 절에서는 매끄러운 표면으로 가정하고 소음기 형상에 따른 성능에의 영향성을 살펴보고자 한다.
도로의 터널이 길어지고 통행 차량이 증가함에 따라 터널 내부 환기의 중요성도 매우 증가하였다. 터널 내부 환기 목적은 자동차에서 배출되는 일산화탄소(CO), 매연 등의 오염물질을 터널 외부로 방출시켜 쾌적하고 안전한 주행 환경을 유지하는데 있다. 또한 화재 시 배연 효과와 함께 비상시 인명의 안전 확보 및 유지 관리를 위하여 오염물질의 농도를 기준치 이하로 낮추는 것이다.

제안 방법

거친 표면을 가진 소음기의 영향성 판단은 벽면에 조도 입력이 가능한 k-ε모델을 사용한 수치해석으로부터 결과를 도출하였다.
하지만 위 타공율에 상응하는 정확한 조도를 찾아내는 것은 매우 힘들다. 따라서 거친 벽면을 가진 소음기의 영향성은 일반적인 스플리트형 소음기에 사용되는 조도인 3 mm를 등가모래조도(equivalent sand roughness)^(4,5)로 사용하여 수치해석을 수행하였다.⁽⁶⁾
때문에 k-ε 난류모델로 새롭게 적용시켜 해석을 수행하였다.
설계변수의 영향성을 알아보기 위해서 Fig. 6 에 제트홴의 유효출구속도와 효율을 목적값으로 하여 주 효과 도표로 분석하였다. Fig.
소음기 형상에 따른 제트홴의 성능을 분석하기 전에 소음기의 유무에 따른 제트홴의 성능을 수치해석을 통하여 분석해 보았다. 소음기는 일반적인 원기둥형태를 가지고 있는 제트홴을 사용하였고, 그에 따른 결과는 table 1 에 나타내었다.
실험계획법(DOE)^(2,3)을 이용한 설계변수의 영향성 분석을 위하여 Fig. 4 와 같이 제트홴 소음기 설계 변수를 두 가지로 정의하였다. 여기서 L 은 소음기의 길이로써 로터를 기준으로 캡(cap)의 최외각까지의 길이를, ØD는 소음기 캡의 직경을 나타낸다.
본 연구에는 소음기의 소음특성은 배제하고, 제트홴 공력성능 관점에서 원뿔형태의 소음기 설계 변수를 정립하고 소음기 형상이 제트홴 공력 성능에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 연구 수행을 위하여 실험계획법을 사용하였으며, 생성된 실험 set에 대하여 수치 해석을 이용한 성능평가를 수행하였다. 수치해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS-CFX 11.
7에 나타낸 바와 같이 내부는 흡음재로 채워져 있고 표면은 일정한 구멍을 가지고 있는 타공판형식으로 되어 있다. 하지만 이러한 타공판의 형태를 그대로 모델링하여 수치해석하기에는 어려운 점이 많기 때문에 소음기 벽면에 타공판의 영향에 상응하는 거칠기를 적용하여 수치해석을 수행하였다.
해석시간을 줄이기 위하여 Fig. 2 와 같이 주기 조건을 이용해 총 6개의 로터 날개 중 1개의 날개 영역과 총 9개의 스테이터 날개 중 2개의 날개 유동 영역만을 대상으로 계산영역을 설정하였다.

대상 데이터

소음기 형상에 따른 제트홴의 성능을 분석하기 전에 소음기의 유무에 따른 제트홴의 성능을 수치해석을 통하여 분석해 보았다. 소음기는 일반적인 원기둥형태를 가지고 있는 제트홴을 사용하였고, 그에 따른 결과는 table 1 에 나타내었다. Table 1을 보게 되면, 본 연구에 사용되어진 제트홴은 약 36.
소음기의 길이는 1000 mm를 기준으로 ±350 mm, cap의 직경의 크기는 250 mm를 기준으로 ±150 mm로 설정하였다.

데이터처리

연구 수행을 위하여 실험계획법을 사용하였으며, 생성된 실험 set에 대하여 수치 해석을 이용한 성능평가를 수행하였다. 수치해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS-CFX 11.0을 사용하였다.
캡에서 로터까지 연결되는 허브 라인은 로터의 보스의 직경에 맞추어 설계되었다. 앞서 정의한 제트홴소음기 설계변수의 영향성을 분석을 위하여 실험계획법의 2^k 요인실험(factorial design)을 사용하였고, Minitab 14 를 이용하여 결과를 분석하였다. 2^k요인실험을 위한 변수 변화 범위는 다음과 같다.
5 에 나타내었다. 이 때 소음기가 없는 경우도 해석을 수행하여 2^k요인실험 set 결과와 비교 분석하였다. 5개의 실험 set 은 모두 비슷한 경향을 가진 속도 프로파일이 그려졌으나, 소음기가 없는 극단적인 경우에는 날개의 중간 스팬(span)까지 실험 set과 상이한 속도 프로파일을 보이고 있다.

이론/모형

목적 함수를 위한 측정위치는 출구부의 벨 마우스 부분이 시작하는 부분으로 설정하였으며, 유효면적은 ISO 13350 에서 명시한 제트홴의 유효출구면적(A_eff)을 사용하였다. 이에 따른 형상은 Fig.
수치해석 시 난류 모델은 유동 박리 현상 등의 예측에 적절한 전단이송(shear stress transport) k-ω모델(1)을 사용하였다.
표면 거칠기가 있는 경우는 조도 영향을 고려한 k-ε 난류 모델을 사용하였다.

성능/효과

1) 유효출구속도(V_eff)와 효율은 캡의 크기와 소음기의 길이가 커질수록 감소하며, 조도가 고려된 경우 그 영향성은 더욱 커지게 된다.
3) 제트홴의 소음기는 제트홴 내의 자연스러운 유로형성에 도움을 주며, 실제 사용되어지고 있는 원기둥 형태의 소음기보다 원뿔 형태의 소음기 형상이 제트홴의 공력성능 향상을 가지고 올 수 있다.
5개의 실험 set에 대해 평균적인 값을 보았을 때, k-ε 모델이 전단이송 k-ω 모델에 비해 유효출구속도에서 0.04 m/s의 감소가 있었고, 효율에서는 1.26 % 증가되었다.
소음기는 일반적인 원기둥형태를 가지고 있는 제트홴을 사용하였고, 그에 따른 결과는 table 1 에 나타내었다. Table 1을 보게 되면, 본 연구에 사용되어진 제트홴은 약 36.3 m/s의 유효출구속도와 약 70 .5 %의 효율을 가진 모델인 것을 알 수 있는데, 소음기가 없는 제트홴이 일반적인 원기둥형태의 소음기를 가지고 있는 제트홴에 비해 유효출구 속도에서 약 3.67 %, 효율에서 6.05 % 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 제트홴의 소음기가 소음특성을 배제하더라도 제트홴의 공력성능에도 크게 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
즉, 소음기의 길이가 길어질수록, 캡의 직경이 커질수록 타공판의 표면적증가로 인한 마찰력 증대의 효과가 발생한다고 볼 수 있다. 거친 벽면을 가진 소음기의 변수 변화 범위 내에서 공력성능의 최대 범위를 보면 유효출구속도는 약 0.4 m/s, 효율은 1.4 % 정도로 제트홴 성능에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 따라서 소음저감을 위해서 소음기의 표면적을 크게 가져가는 설계의 경우 공력성능의 감소를 동반하므로 이를 고려하여 설계하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
결과에서 미미한 차이가 있지만 Veff와 효율 모두 같은 경향을 가지고 있기 때문에 k-ε 모델에 거칠기를 적용하여 소음기형태에 의한 영향성을 판단하기에 무리가 없다고 판단하였다.
6(b)는 효율에 대한 두 인자의 영향력을 분석한 결과이다. 먼저 유효출구속도에 대한 두 인자의 영향성을 살펴보면, 설계변수의 변화범위 내에서 약 0.2 m/s 정도의 차이를 보이고 있어서 유효출구속도에 미치는 영향은 그리 크지 않다는 것을 확인할 수 있다. 효율의 경우는 소음기 길이가 증가하면 효율이 감소하지만, 캡의 크기에 따라서는 거의 변화가 없으며, 전체적으로 효율은 변수변화범위 내에서 약 0.

후속연구

2) 소음기 타공판에 상응하는 조도를 가정하여 해석을 수행하였으나, 보다 정확한 해석을 수행하기 위해 타공율에 따른 조도 정립과 이에 대한 실험적 연구가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제트홴을 구성하는 요소는 무엇인가?	하지만 많은 양의 공기를 배출해야하기 때문에 회전속도가 큰 것이 특징이다. 제트홴을 구성하는 요소로는 크게 회전자인 로터(rotor)와 구동원인 모터(motor), 이를 고정시켜주는 스테이터(stator)로 구성되어진다.(Fig.
	터널 내부 환기의 목적은 무엇인가?	도로의 터널이 길어지고 통행 차량이 증가함에 따라 터널 내부 환기의 중요성도 매우 증가하였다. 터널 내부 환기 목적은 자동차에서 배출되는 일산화탄소(CO), 매연 등의 오염물질을 터널 외부로 방출시켜 쾌적하고 안전한 주행 환경을 유지하는데 있다. 또한 화재 시 배연 효과와 함께 비상시 인명의 안전 확보 및 유지 관리를 위하여 오염물질의 농도를 기준치 이하로 낮추는 것이다.
	제트홴이 일반 축류홴과 다른 특징은 무엇인가?	제트홴은 일반 축류홴과 유사한 형태를 띠고 있다. 하지만 많은 양의 공기를 배출해야하기 때문에 회전속도가 큰 것이 특징이다. 제트홴을 구성하는 요소로는 크게 회전자인 로터(rotor)와 구동원인 모터(motor), 이를 고정시켜주는 스테이터(stator)로 구성되어진다.

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