[논문]축류형 이중 블레이드 팬의 공기 유동 특성에 관한 실험적 연구

김해지; 이용민

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.4.113

[국내논문] 축류형 이중 블레이드 팬의 공기 유동 특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Air Flow Characteristics of Axial Dual-blade Fan 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.13 no.4, 2014년, pp.113 - 120

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To ventilate indoor spaces, axial single-blade fans are widely used in various areas, such as schools, houses, offices, and restaurants. Recently, axial single-blade fans were developed to realize energy efficiency and noise reduction improvements. Here, an experimental study of the air flow characteristics of an axial dual-blade fan is conducted. The characteristics of the axial dual-blade fan were tested via an air flow analysis and with prototypes. For the performance of the fan, the flow rate, power consumption, and noise were evaluated. The result showed that the axial dual-blade fan uses less power and produces less noise in comparison with an axial single-blade fan.

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문제 정의

본 논문에서는 1개의 블레이드를 가지는 축류형팬에서 발생되는 에너지손실, 소비전력, 소음 등을 고려하여 2개의 블레이드를 가지는 축류형 이중팬에 관하여 공기의 유동 특성을 실험적으로 고찰하고자 하였다. 이중 블레이드 축류형 팬의 모델을 선정하여 공기 유동해석과 시제품 제작을 통하여 유량, 소비전력, 소음 등으로 특성을 평가하고자 하였다.
본 논문에서는 1개의 블레이드를 가지는 축류형팬에서 발생되는 에너지손실, 소비전력, 소음 등을 고려하여 2개의 블레이드를 가지는 축류형 이중팬에 관하여 공기의 유동 특성을 실험적으로 고찰하고자 하였다. 이중 블레이드 축류형 팬의 모델을 선정하여 공기 유동해석과 시제품 제작을 통하여 유량, 소비전력, 소음 등으로 특성을 평가하고자 하였다.
본 논문에서는 축류형 이중 블레이드 팬의 공기유동 특성에 관하여 공기 유동 해석과 시제품 제작을 통하여 유량, 소비전력, 소음 등의 평가로 이중 블레이드 팬의 특성을 실험적으로 연구되었다.

가설 설정

팬의 회전수는 1,200rpm에서 1,600rpm까지 100rpm씩 증가시켜 5개의 경우에 대해 해석을 수행하였다. 본 해석의 작업유체는 공기로 물이나 액체에 비해 쉽게 압축을 할 수 있지만, 그 성질을 비압축성으로 가정하여 해석을 하였다. 실제로 다른 연구의 팬, 유체기계 해석에서도 마하수가 0.

제안 방법

그리고 본 형상은 일정한 주기 조건(periodic condition)으로 5개의 블레이드가 72°로 배치되어있어, 1 개의 블레이드 만을 사용하여 해석 시간을 줄였다.
1에서는 CATIA 프로그램으로 설계된 축류형 중 블레이드 팬의 3차원 형상을 나타내고 있다. 이중 블레이드 팬의 블레이드 수와 블레이드 각도는 많이 사용되고 있는 단일 블레이드 팬을 참고하여 블레이드 직경 250mm, 블레이드 개수 5개로 설계하였다.
실제 환풍기가 설치되어질 곳에서는 벽으로 둘려 싸여 지지만, 해석모델에서는 실제 설치 장소의 형상까지 고려되어지지 않기에 가상으로 추가하였다. 그리고 본 해석모델에서는 입구와 출구부에 압력이나 속도를 주지 않고 회전력에 의해 유동을 발생시킴으로서 유동이 역류할 수 있으나, 유동 연장부분에서는 역류를 방지하여 수렴성을 안정하게 만든다. 해석 후 유동정보를 얻기 위해 두 블레이드의 앞, 뒤로 가상의 벽을 만들었다.
그리고 본 해석모델에서는 입구와 출구부에 압력이나 속도를 주지 않고 회전력에 의해 유동을 발생시킴으로서 유동이 역류할 수 있으나, 유동 연장부분에서는 역류를 방지하여 수렴성을 안정하게 만든다. 해석 후 유동정보를 얻기 위해 두 블레이드의 앞, 뒤로 가상의 벽을 만들었다.
그리고 블레이드 부근에서는 상대적으로 많은 격자를 넣어 벽 근처에서의 유동을 잘 모사할 수 있도록 하였다. 출구와 입구로 갈수록 큰 격자를 넣어 해석에 걸리는 시간을 줄이기 위해 크기 함수(size function)를 이용하여 격자를 생성하였다.
5에서는 해석모델의 경계조건으로 입구와 출구, 벽 그리고 블레이드로 나누어져 있으며, 1/5주기 해석을 위해 주기 조건을 적용하였다. 입구와 출구 모두 대기압상태를 적용하였다.
해석은 이중블레이드의 회전수에 따라 수행하였다. 팬의 회전수는 1,200rpm에서 1,600rpm까지 100rpm씩 증가시켜 5개의 경우에 대해 해석을 수행하였다. 본 해석의 작업유체는 공기로 물이나 액체에 비해 쉽게 압축을 할 수 있지만, 그 성질을 비압축성으로 가정하여 해석을 하였다.
회전부의 경우 블레이드와 허브가 회전하는 유체기계로 매 회전마다 격자를 다시 생성해야하는 문제가 발생함으로 MRF(moving reference frame) 모션 형태를을 선택하여 해석을 간편화하였다.
모터의 회전수에 따른 공기 유동 특성 해석 결과를 참고하여 직경 250mm의 블레이드가 적용되는 축류형 이중 블레이드 팬을 설계 및 제작하였다. 그리고 상용되는 환풍기에 장착되는 AC 모터와 비교하여 상대적으로 에너지 효율이 높은 BLDC 모터를 사용하였다.
그리고 상용되는 환풍기에 장착되는 AC 모터와 비교하여 상대적으로 에너지 효율이 높은 BLDC 모터를 사용하였다. 회전수에 따른 이중 블레이드 팬의 유량, 소비전력, 소음 등을 평가하기 위해 2,000rpm까지 회전수 조절이 가능한 가변형 속도 제어기를 적용하였다. Fig.

대상 데이터

그림에서 보는 바와 같이, 표면에 격자의 수를 최대한 줄이기 위해 사각격자를 넣었고, 실제 3차원 격자로 생성될 영역은 삼각기둥 형태를 갖게 된다. 블레이드 부분에는 사면체 격자를 사용하였으며, 입구 출구영역은 삼각기둥 격자를 생성하였다. 그리고 블레이드 부근에서는 상대적으로 많은 격자를 넣어 벽 근처에서의 유동을 잘 모사할 수 있도록 하였다.
격자의 총 개수는 2,254,699이며, 면의 수는 4,646,736이다. 그리고 노드는 466,475개이다. 가장 작은 격자의 체적은 2.
모터의 회전수에 따른 공기 유동 특성 해석 결과를 참고하여 직경 250mm의 블레이드가 적용되는 축류형 이중 블레이드 팬을 설계 및 제작하였다. 그리고 상용되는 환풍기에 장착되는 AC 모터와 비교하여 상대적으로 에너지 효율이 높은 BLDC 모터를 사용하였다. 회전수에 따른 이중 블레이드 팬의 유량, 소비전력, 소음 등을 평가하기 위해 2,000rpm까지 회전수 조절이 가능한 가변형 속도 제어기를 적용하였다.

이론/모형

해석에 사용된 난류모델은 standard κ-ε 난류 모델을 채용했으며 밀도는 변하지 않고 일정한 값을 적용해서 계산했으며, 난류모델에 사용되는 각종 상수 값은 CFD 툴에서 제공하는 기본 값을 사용하였다.
해석은 이중블레이드의 회전수에 따라 수행하였다. 팬의 회전수는 1,200rpm에서 1,600rpm까지 100rpm씩 증가시켜 5개의 경우에 대해 해석을 수행하였다.
해석에 사용된 난류모델은 standard κ-ε 난류 모델을 채용했으며 밀도는 변하지 않고 일정한 값을 적용해서 계산했으며, 난류모델에 사용되는 각종 상수 값은 CFD 툴에서 제공하는 기본 값을 사용하였다. 압력과 속도의 커플링은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였으며, 완화계수는 기본 제공 값보다 더 작은 값을 넣어 해석을 하였다.
이산화의 방법에서 압력은 standard, 모멘텀은 second order upwind scheme을 적용하였으며, 난류 운동 에너지와 난류 소산 율은 power law scheme을 적용하였다. 수렴의 정도는 continuity 10-4을 기준으로 적용하였다.

성능/효과

1에 포함되어 있는 브라켓과 모터를 제외 하였으며, 제외한 것은 격자의 품질과 격자의 수를 좋게 하기 위함이다. 불필요한 형상에 의한 격자의 품질 저하를 막아 해석결과의 정확성을 높였다.
11에서는 난류강도를 나타내고 있다. 속도 벡터의 구배가 주유동 방향과 다른 속도 벡터가 많은 블레이드 근처의 값이 높고, 블레이드와 멀어질수록 낮은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
12에서는 이중 블레이드 팬의 회전수 변화에 따른 유량과 소비전력의 해석 결과를 그래프로 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와같이 소비전력은 회전수가 증가함에 따라서 소비전력도 거의 일정하게 증가하지만, 소비전력의 증가의 기울기와 비교하여 유량 증가의 기울기 값이 적게 나타나는 것을 해석을 통하여 확인할 수 있었다.
이중 블레이드 팬의 공기 유동 해석에 따른 유량과 소비전력 결과와 비교하여 실제 제작된 이중 블레이드 팬의 유량과 소비전력은 거의 일치함을 확인할 수 있었다.
3m³/min의 유량을 나타내었다. 소비전력 측면에서는 축류형 단일 블레이드 팬과 비교하여 회전수 1,400rpm에서 22W의 소비전력이 측정되었으며 50%의 소비전력이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
그림에서 보는 바와 같이 실험된 회전수 범위내에서는 32dB에서부터 42dB까지 소음이 측정되었다. 상용되는 축류형 단일 블레이드 팬과 비교하여 회전수 1,400rpm에서 38dB의 소음이 측정되었으며 약 10%의 소음이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
이중 블레이드 팬의 공기유동 해석에 따른 유량과 소비전력 해석 결과와 제작된 이중 블레이드 팬의 시험 결과는 거의 일치함을 보였다. 그리고 상용되는 축류형 단일 블레이드 팬의 성능과 비교하여 이중 블레이드 팬의 회전수 1,400rpm에서 12m³/min의 유량을 만족하였고, 소비전력 50%와 소음은 약 10% 저감되었다.
이중 블레이드 팬의 공기유동 해석에 따른 유량과 소비전력 해석 결과와 제작된 이중 블레이드 팬의 시험 결과는 거의 일치함을 보였다. 그리고 상용되는 축류형 단일 블레이드 팬의 성능과 비교하여 이중 블레이드 팬의 회전수 1,400rpm에서 12m³/min의 유량을 만족하였고, 소비전력 50%와 소음은 약 10% 저감되었다. 실험결과로 이중 블레이드 팬은 에너지 효율 측면에서 활용성이 크다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분의 시간을 밀폐된 공간에서 보냄에 따라 발생하는 문제점은?	현대인들의 일상생활은 대부분이 밀폐된 공간에서 자기에게 주어진 일을 하고 있다. 대부분의 시간을 밀폐된 공간에서 생활함으로써 밀폐된 공간에서 발생하는이산화탄소, 질소산화물, 미세먼지, 부유세균, 진드기와 같은 여러 오염물질들이 인체에 영향을 끼치고 있다. 이러한 오염뮬질들의 저감과 배출을 원활히 하기 위해 대부분의 밀폐된 공간에는 환풍시스템이 설치되어있다.
	현재 환기시스템 중 가장 널리 사용되는 것은?	대표적으로 사람들이 많이 생활하는 밀폐된 공간으로 보면 학교, 사무실, 음식점, 아파트, 공장 등이 있고, 각 공간의 특징에 따라 환기시스템이 설치되어 있다. 현재 환기시스템중에 가격이 저렴하고, 설치가 용이해서 가장 폭넓게 사용되는 것은 1개의 블레이드가 장착된 축류형 팬이며, 다양한 형태로 상용화되어 밀폐된 공간의 공기를 순환 , 배기, 흡기 등을 역할을 수행하고 있다.
	축류형 이중 블레이드 팬은 단일 블레이드 팬보다 소비전력과 소음이 얼마나 나았는가?	이중 블레이드 팬의 공기유동 해석에 따른 유량과 소비전력 해석 결과와 제작된 이중 블레이드 팬의 시험 결과는 거의 일치함을 보였다. 그리고 상용되는 축류형 단일 블레이드 팬의 성능과 비교하여 이중 블레이드 팬의 회전수 1,400rpm에서 12m3/min의 유량을 만족하였고, 소비전력 50%와 소음은 약 10% 저감되었다. 실험결과로 이중 블레이드 팬은 에너지 효율 측면에서 활용성이 크다고 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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