[논문]유동속도가 단순확장관 음향투과손실에 미치는 영향 해석

권진; 정의봉; 홍진숙

doi:10.5050/ksnve.2012.22.10.994

유동속도가 단순확장관 음향투과손실에 미치는 영향 해석
Effects of Fluid Velocity on Acoustic Transmission Loss of Simple Expansion Chamber 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.22 no.10, 2012년, pp.994 - 1002

권진 (Graduate School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 정의봉 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 홍진숙 (School of Mechanical Engineering, Ulsan College)

Abstract ▼ AI-Helper

Acoustic power transmission loss(TL) is an important performance of the muffler system. TL will be affected by the velocity of the fluid in duct since acoustic pressure varies according to the fluid velocity. In this paper, two kinds of fluid model, potential flow and turbulent flow, for the fluid flowing in simple expansion chamber are considered. The effects of their two fluid models in acoustic TL are investigated for the straight and L-shaped simple expansion chamber. In higher frequency range, the characteristics of TL of the two fluid models show different results. The variation of TL according to the fluid velocity is shown more distinctly when turbulence model is used. Turbulent flow model should be used to obtain better estimation of acoustic TL in higher frequency range.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

를 이용하였으며, 난류모델은 SST k-ω RANS(shear-stress transport k-ω Reynoldsaveraged Navier-stokes)모델을 사용하였다. 이 유동해석 결과를 바탕으로 음향 유한요소 해석을 수행하였고 위 두 가지 해석 결과의 차이가 머플러의 음향 투과손실에 미치는 영향을 알아보고자 한다.

가설 설정

식 (2)로 주어지는 퍼텐셜 유동의 유속을 구하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였으며 매질은 공기로 가정하였다. 경계조건으로는 입구단에 유속, 출구 단에 퍼텐셜 에너지 값으로 0을 부여하였다.
음향 해석용 격자에 유동해석을 통해 구한 속도 정보를 적용한 후 투과손실을 구하기 위한 음향 해석 경계조건으로 입구단에 일정한 입자속도(particle velocity)를 주어 무반사 경계조건을 적용 하였으며 벽면은 강체로 가정하였다.

제안 방법

머플러 내부 유동을 퍼텐셜 유동으로 가정한 경우와 난류 유동으로 가정하고, 입구단의 유동속도를 5 m/s, 10 m/s, 20 m/s인 경우의 음향 투과손실의 차이점에 대하여 비교하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
위와 같은 유동 해석 결과로부터 각 절점에 대한 6자유도 속도 벡터를 얻을 수 있고 최대 거리를 1 mm 이하로 하여 유동 해석용 격자의 속도 정보를 음향 해석용 격자에 적용하였다.
을 사용하였다. 해석 방법은 퍼텐셜 유동의 계산에서와 같이 정상상태 해석을 수행하였다.

대상 데이터

두 번째 해석 모델은 Fig. 2와 같이 단면 형상은 직선형 머플러와 동일하나 입구와 출구 각도가 90°로 이루어진 L자형 머플러로 머플러 형상에 따른 평균유동 흐름의 차이로 인한 투과손실 결과를 보고자 이와 같은 두 가지 형상을 선정하였다.
첫 번째 해석모델은 Fig. 1과 같은 사각 단면을 가진 단순 확장관으로 입·출구단에서 관의 단면은 0.1×0.1 m이고 길이는 0.5 m이며, 확장관의 크기는 0.5×0.5×0.5 m이다.

이론/모형

난류모델을 사용한 관 내의 난류 유동 속도 분포를 얻기 위해 velocity-inlet, pressure-outlet 경계조건⁽⁶⁾을 사용하였다. 해석 방법은 퍼텐셜 유동의 계산에서와 같이 정상상태 해석을 수행하였다.
이 연구에서는 전산해석상 더 신뢰할 수 있는 머플러 내부의 유동속도 분포를 구하기 위하여 CFD(computational fluid dynamics) 상용 소프트웨어인 ANSYS FLUENT(6)를 이용하였으며, 난류모델은 SST k-ω RANS(shear-stress transport k-ω Reynoldsaveraged Navier-stokes)모델을 사용하였다.
투과손실을 구하기 위한 방법으로서는 순수 진행파만을 고려하기 위한 방법으로 확장관 이전 두 점(P1, P2)에서의 음압과 이후의 한 점(P3)에서의 음압을 이용하는 3-point method⁽⁹⁾를 사용하였다.
여기서 K는 파수(wave number)를 의미하며 L은 P1점과 P2점 사이의 거리로서 5 mm 간격을 유지하였다. 투과손실을 구하기 위한 세 점에서의 음압은 sine sweep method를 사용하였고, 1 kHz부터 3 kHz 까지 10 Hz 간격으로 해석을 수행하였다.

성능/효과

Fig. 13과 Fig. 14는 L자형 머플러로부터 얻은 결과로서 직선형 머플러의 결과와 동일한 특성을 나타냈으며, TL 변동폭은 직선형 머플러보다 더욱 증가하는 경향을 나타내었다. 음향 투과손실의 크기에 있어서는 직선형 머플러의 결과에 비해 더 확연한 차이를 보인다.
난류 유동 해석 결과 머플러 내부 유체의 속도 크기와 유속의 분포가 퍼텐셜 유동으로 가정하였을 때와는 상이한 결과를 나타내었다. 이는 서로 다른 두 solver에서 사용되는 지배방정식의 차이 때문으로 볼 수 있다.
15는 퍼텐셜 유동과 난류유동으로 가정한 각각의 경우에 대한 L자형 머플러의 입구단 유속에 따른 특정 주파수의 투과손실 크기를 나타낸 결과이다. 난류 유동의 해석결과를 사용한 경우에는 퍼텐셜 유동의 해석결과를 사용한 경우보다 유속의 크기가 커질수록 투과손실이 낮아지는 현상을 확인할 수 있었다.
단순확장관 내부유동을 난류 유동으로 가정한 경우가 퍼텐셜 유동으로 가정한 경우보다 모든 주파수에서 유동속도가 음향 투과손실(TL)에 미치는 영향이 크게 나타났으며, 특히 고주파수일수록 차이가 뚜렷이 나타났다.
또한 확장관에서의 내부 유동의 변화는 출구단의 음압에 영향을 주어 퍼텐셜 유동에 의한 것에 비해 난류 유동 내에서의 음향 투과손실이 더 낮아짐을 확인하였다. 이는 난류에 의한 3차원 유동의 영향으로 관 내부에 존재하는 유동속도 크기가 커질수록 음향 투과손실이 낮아졌고, 유동특성에 따른 투과손실 변화의 상대적 크기는 난류 유동일 때 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
유동속도가 증가할수록 최대 TL 발생주파수가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한 확장관에서의 내부 유동의 변화는 출구단의 음압에 영향을 주어 퍼텐셜 유동에 의한 것에 비해 난류 유동 내에서의 음향 투과손실이 더 낮아짐을 확인하였다. 이는 난류에 의한 3차원 유동의 영향으로 관 내부에 존재하는 유동속도 크기가 커질수록 음향 투과손실이 낮아졌고, 유동특성에 따른 투과손실 변화의 상대적 크기는 난류 유동일 때 더 큰 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	입구단의 유동속도를 5 m/s, 10 m/s, 20 m/s인 경우의 음향 투과손실의 차이점을 비교하였을 때의 결론은?	단순확장관 내부유동을 난류 유동으로 가정한 경우가 퍼텐셜 유동으로 가정한 경우보다 모든 주파수에서 유동속도가 음향 투과손실(TL)에 미치는 영향이 크게 나타났으며, 특히 고주파수일수록 차이가 뚜렷이 나타났다. 또한 확장관에서의 내부 유동의 변화는 출구단의 음압에 영향을 주어 퍼텐셜 유동에 의한 것에 비해 난류 유동 내에서의 음향 투과손실이 더 낮아짐을 확인하였다. 이는 난류에 의한 3차원 유동의 영향으로 관 내부에 존재하는 유동속도 크기가 커질수록 음향 투과손실이 낮아졌고, 유동특성에 따른 투과손실 변화의 상대적 크기는 난류 유동일 때 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
	소음기의 음향성능을 나타내는 지수에는 어떤 것들이 있나?	가전 제품의 압축기나 자동차 배기계 등 많은 기계 제품의 소음을 저감시키기 위한 장치로써 팽창형 소음기가 널리 사용되고 있다. 이러한 소음기의 음향성능을 나타내는 대표적인 지수에는 소음 저감량(noise reduction; NR), 삽입손실(insertion loss; IL), 투과손실(transmission loss; TL) 등이 있다(1).
	가전 제품의 압축기나 자동차 배기계 등 많은 기계 제품의 소음을 저감시키기 위한 장치로 사용되는 것은?	가전 제품의 압축기나 자동차 배기계 등 많은 기계 제품의 소음을 저감시키기 위한 장치로써 팽창형 소음기가 널리 사용되고 있다. 이러한 소음기의 음향성능을 나타내는 대표적인 지수에는 소음 저감량(noise reduction; NR), 삽입손실(insertion loss; IL), 투과손실(transmission loss; TL) 등이 있다(1).

참고문헌 (9)

Kim, H. J., Lee, S. H., Jeon, S. K. and Han, S. M., 2007, Design of Semi-anechoic Termination Using Taguchi's Method, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 1005-1008.
Kim, B. J., Jeong, W. B. and Hwang, S. M., 1999, Acoustic Analysis of Circular Simple Expansion Chamber with Arbitrary Location and Cross-section Area of Inlet/Outlet, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 9, No. 5, pp. 914-921.
Ji, Z., Mam Q. and Zhang, Z., 1994, Application of the Boundary Element Method to Predicting Acoustic Performance of Expansion Chamber Mufflers With Mean Flow, Journal of Sound and Vibration, Vol. 173, Issue 1, pp. 57-71.

상세보기
Tao, Z. and Seybert, A. F., 2003, A Review of Current Techniques for Measuring Muffler Transmission Loss, Proceedings SAE Noise and Vibration Conference, pp. 2003-01-1653.
LMS, SYSNOISE Rev 5.4.
Fluent Inc, Fluent 6.3 Users Guide, 2006.
Philip, M. M. and Ingard, K. U., 1968, Theoretical Acoustics, McGraw-Hill, Inc., New York.
Lawrence, E. K., Austin, R. F., Alan, B. C. and James, V. S., 2000, Fundamentals of Acoustics, John Wiley & Sons, Inc., New York.
Bilawchuk, S. and Fyfe, K. R., 2003, Comparison and Implementation of the Various Numerical Methods used for Calculating Transmission Loss in Silencer Systems, Applied Acoustics, Vol. 64, Issue 9, pp. 903-916.

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