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.
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.
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...
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 the given model. In addition, the radiated noise propagates and has serious interference and destabilization effects on the surrounding systems, which can lead to fatigue fracture and failure. This study took advantage of the variety of commercial programs, such as FLUENT (flow solver), NASTRAN (dynamic motion solver of complex structures) and VIRTUAL LAB (radiated noise solver) based on the boundary element method (BEM), to understand the underlying physics of flow noise. The expanded pipe has separation and a high pressure drop because of the abrupt change in the cross-section. Based on the radiated noise calculations, the noise level was reduced to around 20 dB in the range of 100-500 Hz.
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 the given model. In addition, the radiated noise propagates and has serious interference and destabilization effects on the surrounding systems, which can lead to fatigue fracture and failure. This study took advantage of the variety of commercial programs, such as FLUENT (flow solver), NASTRAN (dynamic motion solver of complex structures) and VIRTUAL LAB (radiated noise solver) based on the boundary element method (BEM), to understand the underlying physics of flow noise. The expanded pipe has separation and a high pressure drop because of the abrupt change in the cross-section. Based on the radiated noise calculations, the noise level was reduced to around 20 dB in the range of 100-500 Hz.
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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.
제안 방법
구조 진동해석을 통해 얻은 주파수에 따른 벽면 노드의 변위데이터를 경계조건으로 설정하여 Virtual.Lab에서 방사소음 해석을 수행하였다.
엔진은 4행정(흡입-압축-폭발-배기)을 거치면서 주기적인 유동 특성을 가지게 되는데, 이러한 유동은 맥동류(Pulsating flow)의 특성을 가지면서 엔진의 rpm에 따라서 그 맥동류의 진폭 및 주기도 달라지게 된다. 관 내부에서의 음향특성을 파악하기 위하여, 입구에서 서로 다른 주파수의 Sine파형의 압력데이터를 UDF(User Defined Functions) 기능을 사용하여 적용시켰으며, 입구와 출구에서 압력파의 진폭변화에 따른 유동 특성을 해석하였다.
유동해석은 1차적으로 유동을 안정화시키기 위해 k-ε 난류 모델을 사용하여 정상유동해석을 수행하였다. 그리고 정상 유동 해석 데이터를 초기 조건으로 설정하여 LES 난류 모델을 적용하여 비정상유동 해석을 수행하였다. 비정상 유동 해석시 Time Step Size는 0.
흡음재와 같이 다수의 미세한 구멍을 가지고 있는 물질의 경우, 격자를 형성하는데 어려움이 있다. 따라서 흡음재를 Porous Media 조건으로 설정하여, 유체입자가 흡음재를 통과할 수 있도록 침투성을 설정하였으며. 공극률(Porosity)은 50%로 설정하였다.
하지만, Structure Mesh와 같이 Acoustic Mesh를 조밀하게 형성할 경우, 소음해석을 수행하는 시간이 너무 길어지게 된다. 반대로 격자수가 너무 적을 경우에는 방사소음 해석 결과의 신뢰도가 떨어지므로, Acoustic mesh 개수를 다르게 생성하여 소음해석을 반복 수행하여, 적절한 Acoustic Mesh를 설정하였으며 Fig. 4(a)와 같다.
방사소음은 소음원을 기준으로 방사형을 퍼져나가기 때문에 Fig. 4(b)와 같이 소음기를 중심으로 구 좌표계 형태로 둘러싸여진 Field를 생성하였고, 소음기의 상하에 Field Point를 지정하여 특정 지점에서의 방사소음 특성을 살펴보았다.
3에 보여주고 있다. 벽면에서의 박리 및 와류 현상을 분명히 관찰하기 위해, 벽면에 격자의 구성을 집중시켜 유동 해석의 정밀성을 확보 하였다.
본 연구에서는 엔진의 4행정(흡입-압축-폭발-배기)으로부터 발생된 맥동류성 배기 유동에 의한 벽면의 압력변동을 살펴보기 위해 100Hz, 200Hz, 300Hz에서 주기적인 피크값을 가지는 주기함수를 입구조건으로 설정하였다.
024s이다. 시간간격은 수치해석 비용 및 시간의 적정성을 고려하여 설정하였다.
유체가 유입되는 입구에서 관이 확대되는 부분까지 직경의 25배, 관이 축소되는 부분에서 출구까지도 직경의 25배로 충분한 길이 확보하여 설계하였다. 이는 입구의 경우 소음기로 유입되는 유체가 완전 발달 유동 형태를 나타내기 위함이며, 출구는 소음기를 지나면서 극히 불안정해진 유체유동이 안정화되어 Back Flow가 재 유입되어 수치 해석에 영향을 주는 것을 막기 위함이다.
유체와 구조의 상호작용에 대한 이해와 시각적, 물리적 해석 결과를 단계별로 확인하기 위해서 여러 가지 상용 소프트웨어를 유기적으로 조합시켜 유체-구조 연성해석 시스템을 구축하는데 성공하였으며, 연구 결과를 다음과 같이 정리하였다.
NASTRAN 입력파일에는 구조 진동 해석을 수행하기 위한 해석 방법, 격자 정보, 그에 적용되는 하중 및 구속조건 등 모든 정보가 포함되어야 한다. 입, 출구 영역에는 구속조건을 주었으며, 해석 방법으로는 주파수 응답 해석(Direct Frequency Response)을 사용하여 주파수에 따른 응답 데이터를 얻고자 하였다.
기존에 이러한 복잡한 문제를 계산할 수 있는 통합형 연성 해석 프로그램이 개발되어 있다. 하지만 본 연구에서는, 유체와 구조의 상호작용에 대한 이해와 시각적, 물리적 해석 결과를 단계별로 확인하기 위해서 여러 가지 상용 소프트웨어를 유기적으로 조합시켜 유체-구조 연성해석시스템을 구축하여 결과를 분석하였다.
대상 데이터
본 논문에서 사용한 소음기는 원통의 스플리트(Splitter)형 소음기이며, 내부 벽면에 팽창으로 인한 열응력(Thermal stress)을 줄이기 위해 구조된 디자인이다. 실제 소음기와 유사하게 CATIA에서 3D 모델링한 그림을 Fig.
여기서 공극률이란, 매질 내에서 공극이 차지하는 부피와 매질이 차지하는 부피의 비율을 나타낸다. 본 연구에서 사용된 총 격자 개수는 74만개이며, 격자를 형성하기 위해 소프트웨어 ICEM-CFD를 사용하였다.
2에 보여준다. 흡음재의 두께 및 길이는 5mm, 500mm, 입, 출구 직경은 20mm, 총 길이는 1500mm로 설정하였다.
이론/모형
유동해석은 1차적으로 유동을 안정화시키기 위해 k-ε 난류 모델을 사용하여 정상유동해석을 수행하였다.
해석 방법으로는 경계요소법 (BEM : Boundary Element Method)을 사용하였다. 경계요소법이란, 복잡한 3D 문제를 2D 표면 차원의 문제로 효과적으로 줄여 임의의 관심 있는 위치에서 음향특성을 예측하는 방법이다.
성능/효과
(1) 일반 파이프와 면적이 급격하게 변하는 형상을 가진 파이프의 유동 해석을 비교 한 결과, 급격한 확대부로 인해 발생하는 박리 및 와류로 인해 압력 손실 값이 높아진 것을 확인하였다.
(2) 맥동 유동과 진동 및 방사소음의 상관관계를 분명히 알아보기 위해 특정 주파수 특성을 가진 맥동 유동을 입구조건으로 설정, 진동 및 방사소음 결과를 주파수에 따른 스펙트럼으로 분석한 결과, 입구 조건과 동일한 지배적인 주파수에서 피크값을 보이는 것을 확인하였다.
(3) 소음기의 성능을 평가하기 위하여 흡음재가 없는 파이프와 흡음재를 삽입한 파이프의 데이터를 비교한 결과, 저주파수 영역을 제외한 100~500Hz 영역에서 대략 20dB정도의 소음저감에 효과가 있는 것을 확인하였다.
Figure 7은 주파수 변화에 따른 벽면의 변위량을 가시화한 그림이다.(붉은색이 높은 변위량을 나타냄) 또한, 모드별로 구조진동해석을 나타내는 Fig. 8의 결과와 같이, 저주파수 영역에서는 단순한 사인파 형태로 진동하는 반면, 고주파수 영역으로 갈수록 파장이 짧은 여러 개의 사인파로 구성된 진동 모드 현상이 나타남을 확인했다. 구조 진동 해석 결과, 주파수 변화에 따른 벽면의 변위량을 가시화하였다.
그래프의 특징을 살펴보면, 면적 변화가 없는 파이프의 경우, 입구에서 출구로 진행 할수록 압력인 선형적으로 떨어지는 반면, 면적변화가 있는 경우, 관의 급격한 확대 및 축소 부에서 와류 및 박리를 통해 유동 손실이 급격히 증가한 것을 확인하였다. 또한, 흡음재가 삽입된 경우, 흡음재가 없는 경우와 비교했을 때, 마찰 손실을 일으키는 면적이 늘어나 압력 손실이 약 560Pa 정도 높아진 것을 확인하였다.
세 가지 그래프에서 맥동류성 유동의 영향으로 100Hz, 200Hz, 300Hz 부근에서 주기적인 피크값이 존재하는 것을 확인하였다. 다만, 3가지 지배적인 주파수뿐만 아니라 다른 여러 주파수 영역에서 크고 작은 피크값이 존재하는 것을 확인하였다. 맥동류성 입구조건을 FFT한 결과, 100Hz 간격으로 주기적인 피크값을 보이는 것을 확인하였고, 방사소음 해석 결과, 위치에 따라 약간의 차이는 있지만, 유사한 특징을 보이는 것을 확인하였다.
그래프의 특징을 살펴보면, 면적 변화가 없는 파이프의 경우, 입구에서 출구로 진행 할수록 압력인 선형적으로 떨어지는 반면, 면적변화가 있는 경우, 관의 급격한 확대 및 축소 부에서 와류 및 박리를 통해 유동 손실이 급격히 증가한 것을 확인하였다. 또한, 흡음재가 삽입된 경우, 흡음재가 없는 경우와 비교했을 때, 마찰 손실을 일으키는 면적이 늘어나 압력 손실이 약 560Pa 정도 높아진 것을 확인하였다. 즉, 실제 산업에서 소음기를 설치했을 경우, 이로 인하여 발생한 손실을 보상해 줄 수 있는 만큼 에너지를 공급하는 동력원이 필요할 것으로 예상된다.
다만, 3가지 지배적인 주파수뿐만 아니라 다른 여러 주파수 영역에서 크고 작은 피크값이 존재하는 것을 확인하였다. 맥동류성 입구조건을 FFT한 결과, 100Hz 간격으로 주기적인 피크값을 보이는 것을 확인하였고, 방사소음 해석 결과, 위치에 따라 약간의 차이는 있지만, 유사한 특징을 보이는 것을 확인하였다.
반면에 면적의 변화를 가진 파이프의 경우, 0∼300Hz까지의 저 주파수 영역에서는 다소 높은 소음레벨을 보이고 있지만 300Hz가 넘는 고주파수 영역으로 넘어가면서 소음 레벨이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
구조 진동 해석 결과, 주파수 변화에 따른 벽면의 변위량을 가시화하였다. 분석 결과, Mode1에서는 단순한 사인파 형태로 진동하는 반면, Mode2, Mode3으로 높아질수록 파장이 짧은 여러 개의 사인파로 구성된 진동 모드 현상이 나타남을 확인했다. 즉, 저차모드에서는 물체가 변형하기 쉬운 형태, 고차모드에서는 물체가 변형하기 힘든 형태가 나타났다.
Figure 9는 주파수에 따른 방사소음 특성을 두 점 (points 1, 2)에 나타내고 있다. 세 가지 그래프에서 맥동류성 유동의 영향으로 100Hz, 200Hz, 300Hz 부근에서 주기적인 피크값이 존재하는 것을 확인하였다. 다만, 3가지 지배적인 주파수뿐만 아니라 다른 여러 주파수 영역에서 크고 작은 피크값이 존재하는 것을 확인하였다.
반면에 면적의 변화를 가진 파이프의 경우, 0∼300Hz까지의 저 주파수 영역에서는 다소 높은 소음레벨을 보이고 있지만 300Hz가 넘는 고주파수 영역으로 넘어가면서 소음 레벨이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 소음기의 성능 평가를 위하여 흡음재를 삽입하기 전 후를 비교한 결과, 저주파수 영역을 제외한 100~500Hz 영역에서 대략 20dB정도의 소음저감에 효과가 있는 것을 확인하였다.
본 모델의 압력 손실을 계산한 결과는 Table 2와 같다. 점성 마찰에 의한 주 손실은 1,999Pa, 유동 박리로 인해 발생하는 부차적 손실은 파이프 면적이 확대될 경우 578Pa, 축소될 경우, 392Pa로, 면적 변화가 있는 파이프의 경우 총 수두손실은 1,331Pa로 계산되었다. 즉, 주 손실보다 부차적 손실이 더 큰 값을 나타내는 것으로 계산되었다.
정상유동 해석 후, 수치해석 관심 영역인 X/L=-0.175∼0.175 영역에서의 관내 압력 손실을 구한 결과, 면적 변화가 없는 파이프의 경우, 667Pa, 면적 변화가 있는 파이프의 경우, 1,695Pa, 흡음재가 삽입된 경우, 2,255Pa로 이론적으로 계산한 압력손실 값보다 다소 높은 수치를 나타냈다.
분석 결과, Mode1에서는 단순한 사인파 형태로 진동하는 반면, Mode2, Mode3으로 높아질수록 파장이 짧은 여러 개의 사인파로 구성된 진동 모드 현상이 나타남을 확인했다. 즉, 저차모드에서는 물체가 변형하기 쉬운 형태, 고차모드에서는 물체가 변형하기 힘든 형태가 나타났다.
점성 마찰에 의한 주 손실은 1,999Pa, 유동 박리로 인해 발생하는 부차적 손실은 파이프 면적이 확대될 경우 578Pa, 축소될 경우, 392Pa로, 면적 변화가 있는 파이프의 경우 총 수두손실은 1,331Pa로 계산되었다. 즉, 주 손실보다 부차적 손실이 더 큰 값을 나타내는 것으로 계산되었다.
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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