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파이프 내 흡음재 및 형상에 따른 유동 및 방사소음에 대한 수치해석적 연구
Effect of the Inner Material and Pipe Geometry on the Flow and Induced Radiated Noise 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.5 = no.344, 2014년, pp.423 - 430  

이수정 (부산대학교 기계공학부) ,  임희창 (부산대학교 기계공학부)

초록
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파이프 유동 내에서 일어나는 소음 및 진동현상의 경우 일반적으로 난류유동과 근처의 벽면사이의 유동유기진동에 의해 일어나게 된다. 복잡한 난류유동을 가지는 확장관의 단순한 경우에서 본 연구는 수행되었지만, 방사소음의 경우 주어진 모델에서 크기와 형상 그리고 두께 등에 상당히 영향을 받게 된다. 또한, 방사소음은 그 파가 퍼져나가면서 주위 시스템에 교란특성이나 불안정성을 야기시키게 되는데 결국 중요한 파단과 파손을 일으키게 된다. 본 연구는 다양한 상용프로그램들 (Fluent, NASTRAN, 그리고 VIRTUAL LAB)을 이용하여 이러한 현상을 파악하고자 하였다. 이 연구를 통해 유동소음에 있어 깔려있는 물리현상들을 이해하고자 하였다. 확장관의 경우 단면적의 급격한 변화에 의해 박리와 높은 압력강하를 겪게 되는데, 방사소음의 계산으로 이 방사소음의 크기가 100에서 500Hz영역에서 전체적으로 약 20dB정도 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Noise and vibration, which occur in a pipe, are usually caused by the interaction between the turbulent flow and nearby wall. Although it can be estimated by a simple case of expanded pipes having complex turbulent flow, the radiated noise is highly dependent upon the size, shape, and thickness of t...

주제어

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문제 정의

  • 유체의 거동과 구조의 변형 특성을 현실성 있게 구현할 수 있는 기법은 양 방향 유체-구조 연성해석(2-way FSI)이다. 그러나 과도한 해석 시간 및 해석 기법의 한계를 극복하는데 어려움이 있으므로 단 방향 유체-구조 연성해석(1-way FSI)기법을 이용하는 절차를 제안하고자 한다.(8)
  • 본 연구는 소음기에 대한 유동 및 방사소음 해석의 기초 연구로서, 엔진의 4행정(흡입-압축-폭발-배기)으로부터 발생된 맥동류성 유동 특성이, 진동 및 방사소음에 어떻게 반영되는지, 파이프 형상 변화에 따라 수치해석을 수행하였다.
  • 본 연구는, 엔진의 4행정(흡입-압축-폭발-배기)으로부터 발생된 맥동류성 배기 유동에 의해 벽면에 발생하는 시간에 따른 압력 변화를 살펴보고, 이러한 압력변동에 의해 구조물에 어떤 변형이 발생하는지, 그리고, 이 결과가 다시 방사소음에 미치는 영향에 대해 살펴보고자 한다. 이와 같이, 유체 혹은 구조물의 하중 및 경계조건을 고려하여 유체의 움직임을 해석하고, 유체가 구조물에 미치는 영향을 고려하여 구조물의 변형과 움직임을 해석하는 것은 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interaction)이라 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
내연 기관의 배기계는 어떤 역할을 담당하는가? 내연 기관의 배기계는 배기 소음의 감소, 엔진 효율 증대 등의 중요한 역할을 담당하고 있으므로 배기계 최적설계를 위해서는 배기계 내부의 온도 및 압력의 변화, 각 구성품들의 기하학적 형상 등을 고려하여 배기 압력을 감소시켜 외부 소음을 줄이는 기능과 엔진효율의 극대화를 이룰 수 있도록 조합설계가 되어야 한다. (1)
유체-구조 연성해석은 무엇인가? 본 연구는, 엔진의 4행정(흡입-압축-폭발-배기)으로 부터 발생된 맥동류성 배기 유동에 의해 벽면에 발생하는 시간에 따른 압력 변화를 살펴보고, 이러한 압력변동에 의해 구조물에 어떤 변형이 발생하는지, 그리고, 이 결과가 다시 방사소음에 미치는 영향에 대해 살펴보고자 한다. 이와 같이, 유체 혹은 구조물의 하중 및 경계조건을 고려하여 유체의 움직임을 해석하고, 유체가 구조물에 미치는 영향을 고려하여 구조물의 변형과 움직임을 해석하는 것은 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interaction)이라 한다. 기존에 이러한 복잡한 문제를 계산할 수 있는 통합형 연성 해석 프로그램이 개발되어 있다.
내연기관의 연소과정에서 주기적인 흡입과 배출에 의해 흡배기계의 내부 유동이 압력과 속도의 변화가 매우 큰 비정상 유동이 됨에 따라 어떤 문제가 발생하는가? 내연기관의 연소과정에서 주기적인 흡입과 배출에 의해 흡배기계의 내부 유동은 압력과 속도의 변화가 매우 큰 비정상 유동이 된다. 이러한 심한 압력의 변동으로 인해 유체 흐름의 후단에 강한 난기류를 발생시키며, 높은 압력 진폭과 온도 구배, 벽 마찰 등에 의하여 비가역적인 변화를 일으키고 벽면에서 반사된 압력파와 상호작용을 받게 된다. 이러한 압력파가 배기 시스템을 지나갈 때 벽을 진동시키게 되고, 가진된 벽을 통해 소음이 발생하게 된다.
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참고문헌 (10)

  1. Kim, M. H., Chung, W. I. and Chun, I. B., 2000, "A Study on the Flow Characteristics of Steady State and Pressure Variation Inside the Muffler with the Inflow of Pulsating Exhaust Gas," Journal of KSAE, Vol. 7, No. 8, pp. 150-159. 

  2. Mehdizadeh, O. Z. and Paraschivoiu, M., 2005, "A Three-Dimensional Finite Element Approach for Predicting the Transmission Loss in Mufflers and Silencers with No Mean Flow," Applied Acoustics, Vol. 66, No. 8, pp. 902-918. 

  3. Hua, X., Herrin, D. W., Wua, T. W. and Elnady, T., 2013, "Simulation of Diesel Particulate Filters in Large Exhaust Systems," Applied Acoustics, Vol.74, No. 12, pp. 1326-1332. 

  4. Cheng, C. Y., Seybert, A. F. and Wu, T. W., 1991, "A Multidomain Boundary Element Solution for Silencer and Muffler Performance Prediction, Journal of Sound and Vibration," Journal of Sound and Vibration, Vol. 151, No. 1, pp. 119-129. 

  5. Park, Y. B., Ju, H. D. and Lee, S. B., 2009, "Transmission Loss Estimation of Three-Dimensional Silencers by System Graph Approach Using Multi-Domain BEM," Journal of Sound and Vibration, Vol. 328, No. 4-5, pp. 575-585. 

  6. Liu, C., Hao, Z. Y. and Chen, X. R., 2010, "Optimal Design of Acoustic Performance for Automotive Air-Cleaner," Applied Acoustics, Vol.71, No.5, pp. 431-438. 

  7. Wu, T. W., Cheng, C. Y. and Tao, Z., 2003, "Boundary Element Analysis of Packed Silencers with Protective Cloth and Embedded Thin Surfaces," Journal of Sound and Vibration, Vol. 261, No.1, pp. 1-15. 

  8. Lee, G. H., Byun, Y. H. and Na, Y., 2004, "Effect of Inflow Fluctuation of Lox Manifold of Liquid Rocket on the Flow," The Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 8, No. 3, pp. 68-74. 

  9. Bae, K. H., Park, J. H., Kim, J. H. and Kim, S. Y., 2008, "A Study on the Acoustic Characteristics of Marine Use Silencer Including Flow Analysis," Korean Fluid Machinery Association, pp. 150-159. 

  10. Salim, S. M. and Cheah, S. C., 2009, "Wall $y^+$ Strategy for Dealing with Wall-Bouned Turbulent Flows," Proceedings of the International Multi Conference of Engineers and Computer Scientists, Vol. 2, pp. 1-4. 

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