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문제 정의
- 그러므로 본 연구는 송풍기 설계 및 성능-소음 해석을 위한 FanDAS 소프트웨어와 설계된 송풍기 3차원 유동해석을 위한 CFX 코드를 결합하여, 비교적 단순하면서도 효율적인 송풍기 개발 계체 및 절차를 제안하였다. 또한 본 연구에서 제안된 개발체계를 신규 고효율-저소음 송풍기 개발 실제에 적용하여, 본 개발 체계 및 방법의 신뢰성을 검증하였다.
제안 방법
- 6 는 본 연구에서 사용한 3차원 격자계를 보여주고 있다. 격자계 형성을 위해 블레이드 간 내부 유동장에는 H-격자를 사용하였고, 블레이드 표면에는 O-격자를 사용하였으며 벽 근처의 격자들에는 해석의 정확성을 위해 y+ 방법을 적용하였다. 그리고 격자 의존성 시험을 수행하여, 계산 결과에 영향을 미치지 않는 범위내에서 약 40만개의 격자를 사용하였다.
- 고효율-저소음 축류 송풍기 개발을 위한 FanDAS 와 CFX 소프트웨어를 결합한 전산체계를 제안하였고, 본 연구에서 제안된 개발체계 및 방법을 송풍기 설계최적화에 적용하였다. 송풍기 최적설계는 FanDAS 를 이용한 매개변수 분석을 통해 수행하였고, 최적화된 송풍기 설계결과는 CFX 를 이용한 유동해석를 이용하여 검증하였다.
- 참고로 FanDAS에서 사용하는 모델들은 세부 적인 송풍기 설계 인자 및 변수들의 영향을 고려하도록 구성 되어 있다. 관통류해석을 통해 구한 송풍기 내부 유동 및 압력 분포의 질량평균(mass averaging)을 통해 각 유량조건에서의 송풍기 선능을 구한다.
- 다음과 같은 설계목표를 가지는 고효율-저소음 송풍기 개발과정에 FanDAS 를 이용하여 설계최적화를 수행하였다.
- 송풍기 최적설계는 FanDAS 를 이용한 매개변수 분석을 통해 수행하였고, 최적화된 송풍기 설계결과는 CFX 를 이용한 유동해석를 이용하여 검증하였다. 더 나아가 최적화된 송풍기의 설계, 성능 및 소음예측결과는 실제 송풍기 시작품의 제작, 시험을 통해 최종적으로 검증하였다. 검증결과들을 통해 FanDAS 와 CFX 가 연계된 송풍기 개발체계는 고효율- 저소음 송풍기 개발에 비교적 간편하면서도 높은 신뢰성을 가지고 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
- 그러므로 본 연구는 송풍기 설계 및 성능-소음 해석을 위한 FanDAS 소프트웨어와 설계된 송풍기 3차원 유동해석을 위한 CFX 코드를 결합하여, 비교적 단순하면서도 효율적인 송풍기 개발 계체 및 절차를 제안하였다. 또한 본 연구에서 제안된 개발체계를 신규 고효율-저소음 송풍기 개발 실제에 적용하여, 본 개발 체계 및 방법의 신뢰성을 검증하였다.
- 본 연구에서 송풍기 설계 및 설계된 송풍기의 성능-소음 해석은 FanDAS 소프트웨어에 의해 이루어지며, 설계 및 그에 따른 해석에 관련된 이론 및 과정에 대한 내용은 아래와같이 요약될 수 있고, FanDAS 에 대한 상세한 내용은 참고문헌(1)에 기술되어 있다.
- 앞서 언급한 두 가지 자유설계변수들의 최적화를 위해 FanDAS 를 이용한 설계 매개변수연구(parametric study) 를 수행하였다. Fig.
- 앞서 최적 설계된 송풍기 형상에 대해서 설계점 조건에서 송풍기 내부 3차원 유동장을 CFX 코드(4)를 이용하여 계산하고, 그 계산결과를 FanDAS 의 관통류해석결과와 비교하여 FanDAS 를 이용한 설계방법을 검증하였다.
- 앞서 최적 설계된 송풍기 형상에 대해서 실제 시작품을 제작하고, AMCA 및 ISO 규격에 준한 한국기계전기전자시험 연구원(KTC)의 챔버형 시험설비를 사용하여 송풍기 시작품의 성능 및 소음을 측정하였다. Fig.
- FanDAS 를 이용하여 송풍기 내부의 유동 분포 및 성능특성이 구해지면, 이러한 예측결과들을 송풍기 소음 예측이 이루어진다. 이때 소음예측은 특정한 주파수에 배음형태로 발생하는 깃통과주파수소음(blade passing frequency noise)과 넓은 주파수 영역에 분포되어 발생하는 광대역소음(broadband nosie) 성분들을 각각 계산한 후, 두 소음성분들을 주파수 대역별로 중첩하여 총소음도(OASPL: overall noise level)를 구한다. FanDAS 이용하여 계산된 총소음도 예측결과가 성능예측결과와 병행하여 Fig.
대상 데이터
- 격자계 형성을 위해 블레이드 간 내부 유동장에는 H-격자를 사용하였고, 블레이드 표면에는 O-격자를 사용하였으며 벽 근처의 격자들에는 해석의 정확성을 위해 y+ 방법을 적용하였다. 그리고 격자 의존성 시험을 수행하여, 계산 결과에 영향을 미치지 않는 범위내에서 약 40만개의 격자를 사용하였다.
데이터처리
- 고효율-저소음 축류 송풍기 개발을 위한 FanDAS 와 CFX 소프트웨어를 결합한 전산체계를 제안하였고, 본 연구에서 제안된 개발체계 및 방법을 송풍기 설계최적화에 적용하였다. 송풍기 최적설계는 FanDAS 를 이용한 매개변수 분석을 통해 수행하였고, 최적화된 송풍기 설계결과는 CFX 를 이용한 유동해석를 이용하여 검증하였다. 더 나아가 최적화된 송풍기의 설계, 성능 및 소음예측결과는 실제 송풍기 시작품의 제작, 시험을 통해 최종적으로 검증하였다.
이론/모형
- 설계된 송풍기 내부 유동 해석을 위해서, 본 연구는 블레이드로 유입되는 공기의 상대적 유동을 고려한 frozen-rotor scheme 을 사용하였고, RANS solver(Reynolds-stress averaged Navier-Stokes equation solver)를 사용하였다. 또한 RANS solver 의 난류모델로는 SST(shear stress transport) 모델을 적용하였다.
- 설계된 송풍기 내부 유동 해석을 위해서, 본 연구는 블레이드로 유입되는 공기의 상대적 유동을 고려한 frozen-rotor scheme 을 사용하였고, RANS solver(Reynolds-stress averaged Navier-Stokes equation solver)를 사용하였다. 또한 RANS solver 의 난류모델로는 SST(shear stress transport) 모델을 적용하였다.
- 설계된 송풍기 형상을 바탕으로, FanDAS 는 자동적으로 송풍기의 성능 및 소음 특성을 계산한다. 송풍기의 성능 예측을 위해서는, 송풍기 내부 유동장을 관통류 해석방법(throughflow analysis method)을 이용하여 준3차원(quasi 3-D) 유동 계산을 수행하고, 이때 송풍기 내부에서의 유동각 및 압력분포는 다양한 유동편차각 및 압력손실 모델들을 이용하여 계산한다. 참고로 FanDAS에서 사용하는 모델들은 세부 적인 송풍기 설계 인자 및 변수들의 영향을 고려하도록 구성 되어 있다.
성능/효과
- 그러므로, Figs. 3, 4 및 5 의 결과들을 종합하면, 송풍기의 정압과 유량을 만족시키며 동시에 고효율, 저소음 특성을 달성하기 위해서는 동익의 시위길이와 개수가 각각 10 cm, 12 인 경우가 최적의 설계조건으로 판단될 수 있다.
- 더 나아가 최적화된 송풍기의 설계, 성능 및 소음예측결과는 실제 송풍기 시작품의 제작, 시험을 통해 최종적으로 검증하였다. 검증결과들을 통해 FanDAS 와 CFX 가 연계된 송풍기 개발체계는 고효율- 저소음 송풍기 개발에 비교적 간편하면서도 높은 신뢰성을 가지고 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
- 11 은 송풍기의 설계점 조건에서의 주파수 대역별 소음 스펙트럼을 보여주고 있으며, FanDAS를 이용한 예측결과가 측정결과와 잘 일치하고 있다. 이러한 비교결과는 FanDAS 를 이용하여 송풍기의 소음성분 분석 및 그에 따른 상세한 소음저감설계가 가능함을 암시한다.
- 참고로 시중 제품과의 비교를 통해, FanDAS 를 이용해 최적화된 송풍기 설계가 효율은 10% 향상시키고, 소음은 11 dB 저감시키고 있음을 볼 수 있다. 이러한 비교결과들로부터, FanDAS 를 이용한 설계 방법과 FanDAS-CFX 개발체계가 고효율, 저소음 송풍기 개발에 매우 유용하고 신뢰성있게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
- Table 2 에서 볼 수 있듯이, 송풍기 정압, 효율 및 총소음도 예측결과들이 시험결과들과 최대 10% 오차 범위 내에서 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 참고로 시중 제품과의 비교를 통해, FanDAS 를 이용해 최적화된 송풍기 설계가 효율은 10% 향상시키고, 소음은 11 dB 저감시키고 있음을 볼 수 있다. 이러한 비교결과들로부터, FanDAS 를 이용한 설계 방법과 FanDAS-CFX 개발체계가 고효율, 저소음 송풍기 개발에 매우 유용하고 신뢰성있게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 블레이드 팁 근처(90% span)에서 CFX 와 FanDAS 해석의 비교결과가 20, 60% span 에서의 비교결과에 비해 다소 차이를 보이는 것으로 판단되며, 이러한 차이는 FanDAS 의 설계해석방법이 블레이드 팁근처에서 발생하는 복잡한 3차원와류현상을 예측하지 못하기 때문인 것으로 보인다. 그러나 이러한 국소적인 해석결과의 차이에도 불구하고, FanDAS 를 이용한 설계방법은 송풍기의 전체 성능 및 효율을 예측함에 있어서 더 나아가 송풍기 설계최적화를 함에 있어서 비교적 높은 신뢰성을 가지고 사용될 수 있음을 알 수 있다.
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