[논문]주거환기용 시로코홴의 공력 및 소음 특성 연구

김진혁; 송우석; 이승배; 김광용

doi:10.5293/kfma.2010.13.2.018

문제 정의

본 연구에서는 시로코홴 내 임펠러 및 스크롤의 상호작용으로 인해 발생하는 소음 특성을 분석하기 위해 현 설계점에서의 비정상 삼차원 꾜ANS 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 시로코홴의 스크롤 내 삼차원 유동 및 소음 특성을 파악하고자 정상 및 비정상 삼차원 묘ANS 해석을 수행하였다. 성능시험을 토대로 수치해석의 타당성을 검증하기 위하여 정상상태의 RANS 해석결과를 실험결과와 비교하였고, 수치해석을 통한 시로코홴 내 스크롤 내부 유동 및 소음원을 파악하여 내부 유동 특성을 규명하고자 하貝다.
성능시험을 토대로 수치해석의 타당성을 검증하기 위하여 정상상태의 RANS 해석결과를 실험결과와 비교하였고, 수치해석을 통한 시로코홴 내 스크롤 내부 유동 및 소음원을 파악하여 내부 유동 특성을 규명하고자 하貝다.

가설 설정

본 연구에서는 ANSYS사의 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX-U.oa°)을 사용하여 시로코홴의 내부 유동장을 비압축성 삼차원 정상 및 비정상 상태로 가정하여 해석을 수행하였다. 시로코홴의 임펠러 및 임펠러를 제외한 스크롤 등 형상 정의는 각각 Blade—Gen 및 Design-Modeler를 사용하여 수행하였고, 격자생성을 위해 임펠러 및 그 외 영역에서 각각 Turbo-Grid 및 CFXTCEM을 사용하였다.

제안 방법

회전속도를 부여하여 해석을 수행하였다. 대부분의 유체기계는 해석 시 계산시간의 단축과 수렴성 향상을 위해 인접하는 두 블레이드 사이의 유동장이 회전방향에 대해 주기적으로 형성되어 있다고 가정하여 하나의 유로에 대해서 주기 조건을 적용하여 해석을 수행하지만 본 시로코홴은 임펠러와 확장되어지는 스크롤 사이에서 발생하는 내부 유동의 상호작용에 의해 유동장이 축대칭이고 주기적이라고 가정될 수 없기 때문에 임펠러 내 블레이드 45개를 포함한 전 영역에 대하여 해석을 수행하였다.
시로코홴의 임펠러 및 임펠러를 제외한 스크롤 등 형상 정의는 각각 Blade—Gen 및 Design-Modeler를 사용하여 수행하였고, 격자생성을 위해 임펠러 및 그 외 영역에서 각각 Turbo-Grid 및 CFXTCEM을 사용하였다. 또한 경계조건의 정의, 유동해석 및 결과정리는 각각 CFX-Pre, CFX- Solver 및 CFX-Post를 사용하여 수행하였다.
본 연구에서는 주거환기용으로 사용되는 시로코홴을 대상으로 삼차원 수치해석을 수행하였으며, Fig. 1에 임펠러 및 스크롤 등 주유동 영역에 대하여 2차원 및 3차원 형상을 도시하였다. 본 연구대상인 시로코홴은 토출부의 스크롤 형상이 일반적인 스크롤 형상과는 다르게 축소되는 형상을 가지고 있는데* 이는 기존 설계 시 Kim 등(9)의 연구결과를 반영하여 설계되었다.
방식을 적용하였다. 비정상상태의 수치해석 시에는 Transient—Rotor—Stator 방식을 적용하여 모든 유동 영역에 대해 매 시간간격에 대해서 격자를 회전시켜 해석을 수행하였으며, 해석 시 임펠러가 1회전하는 동안 450번의 시간 간격(At = 6.29228X10T)으로 수행하였고, 각 시간전진에 필요한 수렴성 향상을 위한 반복횟수는 10회로 설정하였다的.
삼차원 수치해석을 위해 해석대상인 시로코홴 내부 영역을 3가지 영역 즉, 스크롤, 임펠러 및 흡입부(모터포함) 영역으로 나누어 해석을 수행하였으며, 임펠러 및 흡입부 내 모터는 회전속도를 부여하여 해석을 수행하였다. 대부분의 유체기계는 해석 시 계산시간의 단축과 수렴성 향상을 위해 인접하는 두 블레이드 사이의 유동장이 회전방향에 대해 주기적으로 형성되어 있다고 가정하여 하나의 유로에 대해서 주기 조건을 적용하여 해석을 수행하지만 본 시로코홴은 임펠러와 확장되어지는 스크롤 사이에서 발생하는 내부 유동의 상호작용에 의해 유동장이 축대칭이고 주기적이라고 가정될 수 없기 때문에 임펠러 내 블레이드 45개를 포함한 전 영역에 대하여 해석을 수행하였다.
6 에서 나타난 바와 같이 스크롤과의 상호작용에 의해 임펠러 각 출구 면에서의 유동특성이 원주방향으로 각각 영향을 나타나게 된다. 상기와 같은 유동특성이 반영된 시로코홴의 소음해석을 수치적으로 수행하기 위해서는 모든 유동 영역에서의 비정상 유동장에 대한 수치해석이 반드시 필요하며, 특히 본 연구에서는 각 원주방향에 따른 스크롤 벽면에서의 국부적인 압력섭동값을 이용하여 소음해석을 수행하였다. Fig.
Kim 등⑼은 토출 확장각이 축소관 형태의 토출목을 가져야 역류 등의 성능저감요소를 제거할 수 있고, 유속분포가 균일해지며’ 특히 스크롤 토출 확장각이 75도일 때 출구의 전영역에서 유속분포가 균일하다는 것을 실험을 통해 입증한바 있다. 설계점에서의 유량과 출구압력은 각각 216.3 CMH 및 21.6mmAq이며, 주요제원은 Table 1에 기술하였고, 현 설계점을 토대로 내부 유동 및 소음 특성을 분석하였다.
oa°)을 사용하여 시로코홴의 내부 유동장을 비압축성 삼차원 정상 및 비정상 상태로 가정하여 해석을 수행하였다. 시로코홴의 임펠러 및 임펠러를 제외한 스크롤 등 형상 정의는 각각 Blade—Gen 및 Design-Modeler를 사용하여 수행하였고, 격자생성을 위해 임펠러 및 그 외 영역에서 각각 Turbo-Grid 및 CFXTCEM을 사용하였다. 또한 경계조건의 정의, 유동해석 및 결과정리는 각각 CFX-Pre, CFX- Solver 및 CFX-Post를 사용하여 수행하였다.
앞에서 기술된 시로코홴의 삼차원 수치해석을 수행하기 전 단계로서 해석을 위한 최적의 격자계를 구성하고자 격자 의존성시험을 수행하였다. 이 시험은 총 80만개에서 250만개 사이의 격자수들에 대해 수행하였으며, 그 결과 계산에 사용될 최적의 격자수는 총 184만개로 결정되었다.
현 설계점에서 정상상태의 삼차원 해석을 수행하여 Fig. 6과 같이 스크롤 각 단면에서의 속도벡터분포를 통하여 스크롤 내부의 유동 특성에 대하여 살펴보았다. Fig.
4에서 보는 바와 같이 챔버형(chamber type) 테스트 장치에서 수행되었으며, 시루-코홴의 유량에 따른 정압력 등 유동 파라미터들의 측정은 ISO 5801 규격S)에 명기된 방법으로 측정되었다. 회전속도는 회전수 속도계(tachometer) 측정 장치를 통하여 측정되었으며, 동력은 입력전력과 사전에 시험된 모터의 효율에 의하여 측정되었다.
회전하는 임펠러 블레이드 표면 인근에는 O형 격자계를 사용하였고, 그 외의 스크롤 및 흡입부를 포함한 전 영역에는 H형 격자계를 사용하였다. 전 영역에 대하여 육면체 격자계로 구성하였으며, 격자계의 구성은 Fig.

데이터처리

성능시험을 토대로 수치해석의 타당성을 검증하기 위하여 정상상태의 RANS 해석결과를 실험결과와 비교하였다. 현 설계점에서 정상상태의 삼차원 해석을 수행하여 스크롤 각 단면에서의 속도분포를 통해 내부 유동 특성을 살펴 본 결과, 스크롤 내에서 하류로 갈수록 2개의 순환유동이 형성되는 것을 관찰할 수 있었다.
수치해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 정상상태의 RANS 해석결과와 성능시험의 결과를 비교하였다. Fig.

이론/모형

본 연구에서의 성능시험은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 챔버형(chamber type) 테스트 장치에서 수행되었으며, 시루-코홴의 유량에 따른 정압력 등 유동 파라미터들의 측정은 ISO 5801 규격S)에 명기된 방법으로 측정되었다. 회전속도는 회전수 속도계(tachometer) 측정 장치를 통하여 측정되었으며, 동력은 입력전력과 사전에 시험된 모터의 효율에 의하여 측정되었다.
정상상태의 수치해석 시 회전하는 임펠러와 정지상태의 스크롤 및 흡입부 사이의 경계면은 격자면에서 계산값을 그대로 정지 좌표계에 입력 값으로 사용하는 방식인 Frozen-Rotor 방식을 적용하였다. 비정상상태의 수치해석 시에는 Transient—Rotor—Stator 방식을 적용하여 모든 유동 영역에 대해 매 시간간격에 대해서 격자를 회전시켜 해석을 수행하였으며, 해석 시 임펠러가 1회전하는 동안 450번의 시간 간격(At = 6.
해석 시 난류모델로는 SST(shear stress transport) 모델을 사용하였다. 일반적으로 SST모델은 역압력구배로 인한 유동 박리현상을 예측하는데 있어 다른 2-방정식 난류모델들에 비해 성능이 우수하다고 Bardina 등(1)에 의해 보고된 바 있다.

성능/효과

임펠러 및 스크롤의 상호작용으로 인해 발생하는 소음 특성을 분석하기 위해 비정상상태의 삼차원 해석을 수행하였으며, 원주방향으로 선택된 케이싱에서의 벽 압력 소음수준과 스펙트럼을 분석한 결과, 피크 소음은 설부영역과 임펠러 깃의 강한 상호작용에 의해 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그 외 저주파 영역에서의 광역소음은 케이싱을 따라 흐르는 유로 내에 존재하는 이차순환유동과 깃과의 상호작용에 의해 발생될 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과를 토대로 시로코홴의 스크롤 내 설부영역은 향후 RANS 해석과 대리모델을 결합한 수치최적설계를 수행할 시 성능 향상을 도모할 수 있는 주요설계인자로 보여진다.
시로코홴의 경우 소음적으로 가장 중요한 영향을 미치는 영역이 설부영역에 국부적으로 집중되어 있는 것으로 알려져 있는데 상기의 결과에서는 이와 같은 경향을 비정상 계산을 통해 잘 반영하고 있음을 확인할 수 웃1다. 상기의 계산으로 피크 소음은 임펠러 깃과 설부의 강한 상호작용에 의해 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 그 외 저주파 영역에서의 광역소음은 정상 상태 유동해석결과를 통해 확인된 케이싱을 따라 흐르는 유로 내에 존재하는 이차순환유동과 깃과의 상호작용에 의해 발생된 것으로 추측된다.
수행하였다. 이 시험은 총 80만개에서 250만개 사이의 격자수들에 대해 수행하였으며, 그 결과 계산에 사용될 최적의 격자수는 총 184만개로 결정되었다. Fig.
현 설계점에서 정상상태의 삼차원 해석을 수행하여 스크롤 각 단면에서의 속도분포를 통해 내부 유동 특성을 살펴 본 결과, 스크롤 내에서 하류로 갈수록 2개의 순환유동이 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 임펠러 및 스크롤의 상호작용으로 인해 발생하는 소음 특성을 분석하기 위해 비정상상태의 삼차원 해석을 수행하였으며, 원주방향으로 선택된 케이싱에서의 벽 압력 소음수준과 스펙트럼을 분석한 결과, 피크 소음은 설부영역과 임펠러 깃의 강한 상호작용에 의해 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그 외 저주파 영역에서의 광역소음은 케이싱을 따라 흐르는 유로 내에 존재하는 이차순환유동과 깃과의 상호작용에 의해 발생될 수 있음을 확인하였다.
성능시험을 토대로 수치해석의 타당성을 검증하기 위하여 정상상태의 RANS 해석결과를 실험결과와 비교하였다. 현 설계점에서 정상상태의 삼차원 해석을 수행하여 스크롤 각 단면에서의 속도분포를 통해 내부 유동 특성을 살펴 본 결과, 스크롤 내에서 하류로 갈수록 2개의 순환유동이 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 임펠러 및 스크롤의 상호작용으로 인해 발생하는 소음 특성을 분석하기 위해 비정상상태의 삼차원 해석을 수행하였으며, 원주방향으로 선택된 케이싱에서의 벽 압력 소음수준과 스펙트럼을 분석한 결과, 피크 소음은 설부영역과 임펠러 깃의 강한 상호작용에 의해 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

그 외 저주파 영역에서의 광역소음은 케이싱을 따라 흐르는 유로 내에 존재하는 이차순환유동과 깃과의 상호작용에 의해 발생될 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과를 토대로 시로코홴의 스크롤 내 설부영역은 향후 RANS 해석과 대리모델을 결합한 수치최적설계를 수행할 시 성능 향상을 도모할 수 있는 주요설계인자로 보여진다.

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