선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 팬의 유동소음에 관한 수치 해석을 위해서는 유동장 해석이 필수적이다. 본 연구에서는 수치적 기법으로 팬을 해석하기 위해서, Fig. 1과 같은 무향 팬테스터의 모델을 만들고 팬을 미끄럼격자를 이용하여 회전시켜 팬의 유동을 해석하였다.
제안 방법
- 6 m의 챔버 공간을 설정하였다. 경계조건은 팬의 성능곡선을 계산하기 위하여 입구에 유량조건을 설정하였고 출구는 대기압 조건으로 설정하였다. 팬 회전속도는 1055 rpm으로 일정하게 설정하였으며 비정상 해석의 시간 간격은 0.
- URANS와 LES 방법은 이러한 모델링 방법의 차이에 의해서 수치 해석 결과가 달라질 수 있으므로 URANS와 LES 해석의 차이점에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 URANS 해석과 LES 해석에 의한 성능과 소음 예측 결과를 비교하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 동일한 해석 조건에서 URANS 수치 해석과 LES 수치 해석에 대해서 팬의 성능 예측 결과와 유동 소음 예측 결과를 비교하였다.
- 본 연구에서는 유동소음을 예측하기 위하여 유동장의 해석은 URANS 또는 LES를 이용하여 해석하고 이때 고체표면에서의 압력변동 값을 저장하여 식 (17)의 시간에 따라 변화하는 음압식의 입력하였다. 자유 음향장에서의 음압을 예측하기 위하여 고체 표면의 각각의 요소에 이 방정식을 적용하였다.
- 수치 해석 방법에 따른 결과를 비교하기 위하여 2가지 난류 모델인 RNG k-ε 모델을 이용한 URANS와 LES 모델의 결과를 실험 측정치와 비교하였다.
- 본 연구에서는 유동소음을 예측하기 위하여 유동장의 해석은 URANS 또는 LES를 이용하여 해석하고 이때 고체표면에서의 압력변동 값을 저장하여 식 (17)의 시간에 따라 변화하는 음압식의 입력하였다. 자유 음향장에서의 음압을 예측하기 위하여 고체 표면의 각각의 요소에 이 방정식을 적용하였다. 이러한 해석에서는 음 전파시에 고체에 의한 회절, 산란 그리고 반사는 고려하지 않았으며 음원에서 발생하는 음의 방사만 고려하였다.
- 저속 축류팬에 대해서 팬테스터 조건에서 수치 해석 방법으로 유동 소음을 계산하였다. 수치 해석시에 비정상 유동장은 미끄럼격자 방법을 이용하였다.
대상 데이터
- Fig. 2에는 냉장고 기계실에 사용되는 3 날개 축류팬을 나타내었으며, 본 연구에서 고려한 해석 모델은 모터부와 연결부까지 포함한 팬 모델이다.
- 계산 격자는 노드수 146만개 (요소수 555만개)의 격자계로 구성하였으며 팬 유동에서 복잡한 유동 박리와 재부착이 발생하는 팬의 끝단, 전연 및 후연에 계산 격자를 집중하여 보다 조밀한 격자를 구성하였다.
- 팬 모델은 팬 주변의 구조물인 모터와 지지대를 포함하였으며 팬은 3개의 날개를 가지며 직경은 150 mm이다. 팬테스터 모델은 실제 모델과 비슷하게 팬 전후방에 각각 1.
- 팬 모델은 팬 주변의 구조물인 모터와 지지대를 포함하였으며 팬은 3개의 날개를 가지며 직경은 150 mm이다. 팬테스터 모델은 실제 모델과 비슷하게 팬 전후방에 각각 1.1 m와 0.6 m의 챔버 공간을 설정하였다. 경계조건은 팬의 성능곡선을 계산하기 위하여 입구에 유량조건을 설정하였고 출구는 대기압 조건으로 설정하였다.
데이터처리
- FW-H 방정식을 사용하여 해석한 소음레벨은 Fig. 8에 실험 결과와 비교하였다. 풍량 조건이 1.
이론/모형
- 7을 MPI 병렬 알고리즘을 이용하여 계산하였다. SC/Tetra 의 공간이산화 방법은 노드 기반 FVM을 이용하였으며 시간 이산화방법은 음해법(implicit method)을 이용하였으며 대류항의 이산화에는 2차 정도의 MUSCL(Monotone Upwind Schemes for Scalar Conservation Laws) 알고리즘이 이용되었다. 팬의 회전을 고려하기 위하여 정지 영역과 회전 영역을 미끄럼격자(sliding mesh) 방법을 이용하여 정지 영역과 회전 영역의 데이터를 보간 하였다.
- 난류 유동은 복잡한 와동이 발생하게 되는데 이러한 와동의 크기는 매우 작은 것까지 있기 때문에 난류 유동을 직접적으로 수치 해석하기에는 한계가 있다. 따라서 난류 모델을 적용하여 이러한 와동을 묘사하는 방법을 이용한다. 본 연구에서는 난류 모델로서 k-ε 난류 모델과 LES 모델을 이용하였다[17,18].
- 본 연구에서는 RNG k-ε 난류모델을 이용하였다.
- 본 연구에서는 난류 모델로서 k-ε 난류 모델과 LES 모델을 이용하였다[17,18].
- 본 연구에서는 상용 CFD 프로그램인 SC/Tetra Ver. 7을 MPI 병렬 알고리즘을 이용하여 계산하였다. SC/Tetra 의 공간이산화 방법은 노드 기반 FVM을 이용하였으며 시간 이산화방법은 음해법(implicit method)을 이용하였으며 대류항의 이산화에는 2차 정도의 MUSCL(Monotone Upwind Schemes for Scalar Conservation Laws) 알고리즘이 이용되었다.
- Neise[19]는 시간에 따른 고체 표면에서의 압력의 변동에 따른 이극자 소음원이 팬 소음의 주요한 원인임을 보여주었다. 본 연구에서는 회전 영역인 팬과 정지 영역인 쉬라우드의 표면에서의 압력 변동에 의한 이극자 소음을 계산하기 위하여 식 (16)과 같이 FW-H 방정식의 비동차 파동 방정식으로 나타내었다. 식 (16)의 오른쪽의 첫 번째 두 번째와 세 번째 항은 각각 단극자, 이극자 그리고 사극자 항을 나타낸다.
- 저속 축류팬에 대해서 팬테스터 조건에서 수치 해석 방법으로 유동 소음을 계산하였다. 수치 해석시에 비정상 유동장은 미끄럼격자 방법을 이용하였다. 수치 해석 방법에 따른 결과를 비교하기 위하여 2가지 난류 모델인 RNG k-ε 모델을 이용한 URANS와 LES 모델의 결과를 실험 측정치와 비교하였다.
- 위 방정식의 상수항은 표준 k-ε 난류 모델은 경험적으로 결정되었으며 RNG k-ε 난류모델의 경우에는 이론적인 퓨리에 해석에 의해서 결정되었다.
- 팬과 같은 움직이는 물체에 의한 유동을 수치 해석하기 위해서 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) 방법을 이용하였다. ALE 방법은 고정좌표계에서 비정상 레이놀즈-평균 나비어-스톡스 방정식은 다음의 식에서와 같이 움직이는 고체 표면의 속도(vi)를 고려하여 다음의 식과 같이 표현된다.
- SC/Tetra 의 공간이산화 방법은 노드 기반 FVM을 이용하였으며 시간 이산화방법은 음해법(implicit method)을 이용하였으며 대류항의 이산화에는 2차 정도의 MUSCL(Monotone Upwind Schemes for Scalar Conservation Laws) 알고리즘이 이용되었다. 팬의 회전을 고려하기 위하여 정지 영역과 회전 영역을 미끄럼격자(sliding mesh) 방법을 이용하여 정지 영역과 회전 영역의 데이터를 보간 하였다.
성능/효과
- 75 Hz이다. 600 Hz까지의 스펙트럼을 분석한 결과 LES 해석과 URANS 해석 모두 BPF의 톤소음은 잘 예측되었다. 반면에 LES 해석 결과는 광역소음에서도 URANS 해석보다는 비교적 더 잘 예측된 결과를 보여주고 있다.
- 수치 해석 방법에 따른 결과를 비교하기 위하여 2가지 난류 모델인 RNG k-ε 모델을 이용한 URANS와 LES 모델의 결과를 실험 측정치와 비교하였다. 그 결과 유동 성능 결과는 URANS 의 경우 8 %, LES는 10 %의 정확도를 보여 주었다. 소음 스펙트럼에 대해서는 LES 결과가 실험 측정치와 근접한 결과를 보여주었으며 LES 해석 결과는 와동 흘림의 예측이 URANS 보다 잘 나타났으며 이로 인해 광대역 소음의 결과가 더 개선된다는 것을 보여주었다.
- 고정압 영역에서는 이러한 원심력과 후류의 저항으로 인해서 유동이 반경방향으로 많이 나아가게 된다. 또한, LES 결과는 URANS 결과에 비해서 후류의 유동이 더 강한 와동을 형성하는 것을 보여준다.
- 4는 URANS와 LES의 수치해석 결과를 유동 성능과 소음의 수치 해석결과를 실험 결과와 비교하여 표시한 것이다. 무향 팬테스터 결과에서 유동 성능은 URANS는 8 %, LES는 10 %의 차이를 보였다. 유동 소음 해석 결과는 실험결과와 정량적인 차이는 약 4 dBA정도 차이가 났지만 정성적인 결과는 URANS 보다 LES가 고풍량에서 소음이 증가하는 경향성을 보여주었다.
- 그 결과 유동 성능 결과는 URANS 의 경우 8 %, LES는 10 %의 정확도를 보여 주었다. 소음 스펙트럼에 대해서는 LES 결과가 실험 측정치와 근접한 결과를 보여주었으며 LES 해석 결과는 와동 흘림의 예측이 URANS 보다 잘 나타났으며 이로 인해 광대역 소음의 결과가 더 개선된다는 것을 보여주었다.
- 무향 팬테스터 결과에서 유동 성능은 URANS는 8 %, LES는 10 %의 차이를 보였다. 유동 소음 해석 결과는 실험결과와 정량적인 차이는 약 4 dBA정도 차이가 났지만 정성적인 결과는 URANS 보다 LES가 고풍량에서 소음이 증가하는 경향성을 보여주었다.
후속연구
- 반면에 LES는 난류 유동에서 발생하는 와동을 큰 것은 직접해석하고 필터보다 작은 크기의 와동을 모델링하는 방법이다. URANS와 LES 방법은 이러한 모델링 방법의 차이에 의해서 수치 해석 결과가 달라질 수 있으므로 URANS와 LES 해석의 차이점에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 URANS 해석과 LES 해석에 의한 성능과 소음 예측 결과를 비교하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.