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U-FRPM 기법을 이용한 원심팬 광대역소음의 효율적 예측
Efficient Prediction of Broadband Noise of a Centrifugal Fan Using U-FRPM Technique 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.1, 2015년, pp.36 - 45  

허승 (부산대학교 기계공학부) ,  정철웅 (부산대학교 기계공학부)

초록
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유동광대역소음을 효율적으로 예측하기 위하여 통계적으로 난류를 재생하는 방법에 대한 많은 연구들이 최근에 진행되고 있다. 그 중에서도, FRPM(Fast Random Particle Mesh) 기법은 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 해석을 통해 도출된 정상상태 유동장의 난류 운동에너지와 소산 값을 이용하여 특정한 통계적 특성을 가지는 난류를 재생하는 기법으로서 유동광대역소음 문제 등에 성공적인 적용 예에 대해서 보고되고 있다. 하지만 기존의 FRPM 방법은 축류팬과 같이 축 대칭 특성을 갖는 기계의 경우 정상상태의 유동장을 기초로 광대역소음을 예측하는 문제에는 적용할 수 있으나, 원심팬과 같이 볼루트 영역으로 인하여 축 대칭이 성립되지 않는 기계류의 유동광대역소음에는 적용할 수 없다. 본 연구에서는 이러한 FRPM 기법을 확장하여, 원심팬에서 발생하는 광대역소음을 효율적으로 예측하기 위하여 비정상 RANS 방정식의 수치해와 연계하여 광대역소음원으로 고려되는 난류를 특정한 통계적 특성을 가지도록 재생할 수 있는 U-FRPM(Unsteady-FRPM) 기법을 제안하였다. 먼저 전산유체역학을 사용하여 RANS 방정식을 해석함으로써, 원심팬 주위의 비정상상태 유동장 정보를 도출하고, 음향상사법(Acoustic Analogy)을 기초로 도출된 유동소음원을 U-FRPM을 이용하여 모델링하였다. 모델링된 소음원은 경계요소법을 통해 구현되는 선형음향전파모델과 연계하여 수음점에서 광대역소음을 예측하는데 이용되었다. 예측된 결과와 실험결과의 비교를 통해 본 논문에서 제시한 방법의 유효성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, a lot of studies have been made about the methods used to generate turbulent velocity fields stochastically in order to effectively predict broadband flow noise. Among them, the FRPM (Fast Random Particle Mesh) method which generates turbulence with specific statistical properties using tu...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • (4)를 바탕으로, 24개의 단극자 음원으로부터 1개의 사극자 음원을 모델링하기 위해서는 단극자 음원과 사극자 음원 사이의 물리적/수학적 관계에 대한 정의가 필요하다. 본 연구에서는 부록의 연구과정에 기초하여 단극자 음원으로부터 사극자 소음원을 모델링하였다. 대상 원심팬 구조물로부터 방사된 소음을 예측하기 위해서는 원심팬 유로의 벽면과 소음원사이의 상호작용과 소음원들 사이의 상호작용을 고려할 수 있는 전파모델을 필요로 한다.
  • 본 연구에서는 원심팬 광대역소음의 효율적 예측을 위해서 팬 순음 소음 예측을 위해 사용하고 있는 H-CAA 방법과 통계적 난류 합성을 위해 개발된 FRPM 기법을 결합한 새로운 예측기법을 제안하였다. H-CAA 방법은 비정상상태 유동장을 예측하기위해 사용되는 RANS 방정식의 유동장 분해능의 한계로 인해 효율적인 원심팬의 순음소음 예측에는 적합하지만, 광대역소음 예측에는 한계가 있었다.
  • 본 연구에서는 원심팬의 광대역소음을 효율적으로 예측하기 위해 H-CAA방법과 비정상상태 유동장에 FRPM 기법을 적용할 수 있는 U-FRPM 기법을 결합한 U-FRPM H-CAA 방법을 제안한다. 통계적 난류를 합성하기 위해 사용되는 FRPM 기법은 RANS 방정식 해석을 통해 예측된 정상상태 유동장의 난류운동에너지와 소산 값을 이용하여 특정한 통계적 특성을 가지는 난류 유동장을 재생하고, 이를 정상상태 유동장의 평균유동속도에 따라 대류시킴으로써 비정상상태의 난류 유동장을 합성하는 기법이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전산유체역학의 수치기법 중 LES나 DNS기법을 산업현장에서 사용하기에는 어려움이 있는 이유는? 팬의 광대역소음을 예측하기 위해서는 유동장 내의 난류의 무작위한(random) 움직임에 대한 묘사가 필수적이고, 전산유체역학의 수치기법 중 LES(Large Eddy Simulation)나 DNS(Direct Numerical Simulation)은 평균화 과정을 포함하고 있지 않기에 유동장 내의 난류의 움직임을 묘사할 수 있다. 하지만, 이러한 기법을 적용하기 위해서는 엄청난 수치적 비용이 수반되기에 산업현장에서 사용하기에는 어려움이 있다. 비교적 적은 수치적 비용으로 팬의 광대역소음을 예측하기 위하여 최근 H-CAA 방법과 통계적 난류 합성법을 결합한 팬 광대역소음 예측 기법들이 개발되고 있다.
팬의 광대역소음을 예측하기 위해서 필수적인 것은? [4]은 H-CAA 방법을 이용하여 원심팬의 주요한 소음원영역으로 고려되는 volute tongue영역의 상대적 기여도를 분석하였다. 팬의 광대역소음을 예측하기 위해서는 유동장 내의 난류의 무작위한(random) 움직임에 대한 묘사가 필수적이고, 전산유체역학의 수치기법 중 LES(Large Eddy Simulation)나 DNS(Direct Numerical Simulation)은 평균화 과정을 포함하고 있지 않기에 유동장 내의 난류의 움직임을 묘사할 수 있다. 하지만, 이러한 기법을 적용하기 위해서는 엄청난 수치적 비용이 수반되기에 산업현장에서 사용하기에는 어려움이 있다.
FRPM기법이란? 유동광대역소음을 효율적으로 예측하기 위하여 통계적으로 난류를 재생하는 방법에 대한 많은 연구들이 최근에 진행되고 있다. 그 중에서도, FRPM(Fast Random Particle Mesh) 기법은 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 해석을 통해 도출된 정상상태 유동장의 난류 운동에너지와 소산 값을 이용하여 특정한 통계적 특성을 가지는 난류를 재생하는 기법으로서 유동광대역소음 문제 등에 성공적인 적용 예에 대해서 보고되고 있다. 하지만 기존의 FRPM 방법은 축류팬과 같이 축 대칭 특성을 갖는 기계의 경우 정상상태의 유동장을 기초로 광대역소음을 예측하는 문제에는 적용할 수 있으나, 원심팬과 같이 볼루트 영역으로 인하여 축 대칭이 성립되지 않는 기계류의 유동광대역소음에는 적용할 수 없다.
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참고문헌 (16)

  1. M. Tournour, Z. El Hachemi, A. Read, F. Mendonca, F. Barone, and P. Durello, "Investigation of the tonal noise radiated by subsonic fans using the aero-acoustic analogy," Fan Noise Conference 2003, Senlis, France. 

  2. S. Lee, S. Heo, and C. Cheong, "Prediction and reduction of internal blade-passing frequency noise of the centrifugal fan in a refrigerator," Int. J. Refrig. 33, 1129-1141 (2010). 

  3. S. Heo, C. Cheong, and T.-H. Kim, "Development of low noise centrifugal fan a refrigerator using inclined S-shaped trailing edge," Int. J. Refrig. 34, 2049-2091 (2011). 

  4. S. Heo, D. Kim, and C. Cheong, "Analysis of relative contributions of tonal noise sources in volute tongue region of a centrifugal fan" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 33, 40-47 (2014). 

  5. S. Heo, D. Kim, C. Cheong, and T.-H. Kim, "Prediction of internal broadband noise of a centrifugal fan using stochastic turbulent synthetic model" (in Korean), Trans. KSNEV. 21, 1138-1145 (2011). 

  6. W. Bechara, C. Bailly, and P. Lafon, "Stochastic approach to noise modeling for free turbulent flows," AIAA J. 31, 445-463, (1994). 

  7. C. Bailly, P. Lafon, and S. Candel, "Computation of noise generation and propagation for free and confined turbulent flow," AIAA Conference, 96-1732 (1996). 

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  9. R. Ewert, J. Dierke, J. Siebert, A. Appel, M. Siefert, and O. Kornow, "CAA broadband noise prediction for aeroacoustic design," J. Sound Vib, 330, 4139-4160 (2011). 

  10. J. Ryu, C. Cheong, S. Kim, and S. Lee, "Computation of internal aerodynamic noise from a quick-opening throttle valve using frequency-domain acoustic analogy," Appl. Acoust. 66, 1278-1308 (2005). 

  11. M. J. Lighthill, "On sound generated aerodynamically, I. general theory," Proc. Roy. Soc. 211A, 564-587 (1952). 

  12. N. Curle, "The influence of solid boundaries on aerodynamic sound," Proc. Roy. Soc. 231A, 505-514 (1955). 

  13. S. Velarde-Suarez, R. Ballesteros-Tajadura, J. P. Hurtado- Cruz, and C. Santolaria-Morros, "Experimental determination of the tonal noise sources in a centrifugal fan," J. Sound Vib. 295, 781-796 (2006) 

  14. C. Cheong, P. Joseph, Y. Park, and S. Lee, "Computational on aeolian tone from a circular cylinder using source models," Appl. Acoust. 69, 110-236 (2008). 

  15. M. Dieste, G. Gabard, "Random-vortex-particle methods for broadband fan interaction noise," AIAA 2010 Conference 

  16. D. Russell, J. Titlow, and Y. Bemmen, "Acoustic monopoles, dipoles, and quadrupoles: An experiment revisited," Am. J. Phys. 67, 660-664 (1999). 

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