[논문]헬름홀츠 공진에서 톱니 효과에 대한 수치적 연구

이승수; 전민우; 이수갑

doi:10.5050/ksnve.2016.26.1.013

헬름홀츠 공진에서 톱니 효과에 대한 수치적 연구
Numerical Investigation of Serration Effect on the Helmholtz Resonance 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.26 no.1, 2016년, pp.13 - 19

이승수 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Seoul National University) , 전민우 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Seoul National University) , 이수갑 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The flow-excited Helmholtz resonance phenomenon was investigated numerically using Reynolds averaged Navier-Stokes approach. The fundamental cause of the Helmholtz resonance phenomenon is known as shedding of a single discrete vortex from orifice edge that travels during one period of the oscillation. In this study, serrated deflector, which is biomimetic design of the owl's feather, is used to split a single vortex into small vortices. Rectangular deflector and serrated deflector are compared with numerical results of pressure and streamline inside the cavity. Consequently, the serration breaks the shedding period of vortex core and eliminates the resonance. Also, it changes the flow pattern in according to the location of different serration height. By making inflows and outflows occur simultaneously in spanwise direction in the cavity, the period of Helmholtz resonance disappears. Comparing between rectangular deflector and serrated deflector, the serrated deflector can deal with the Helmholtz resonance more effectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서는 헬름홀츠 공진을 제거하기 위해 새로운 개념인 톱니 형상의 디플렉터를 제안하려 한다. 여기서 제안한 톱니 형상은 공력 소음 분야에서 다양하게 사용되어져 왔다.

제안 방법

Kim(8) 또한 에어포일에 부착된 톱니 형상이 후류의 거대한 소용돌이 구조(coherent vortex structure)를 부시는 모습을 수치적으로 연구하였다. 새로운 디플렉터로써 제안하는 톱니 디플렉터는 기존의 소용돌이 구조를 붕괴하고 유동의 특성을 변화시키는 것을 수치적으로 보이기 위해 우선 검증을 거치고 헬름홀츠 공진의 메커니즘을 분석한 후 직사각형 디플렉터와 톱니형 디플렉터의 유동 특성을 수치적 결과로 보일 것이다.
이 연구에서 우리는 압축성 Navier-Stokes 방정식을 통해 헬름홀츠 공진을 보였으며 시뮬레이션 검증 후, 새로운 개념인 톱니 디플렉터를 제안했다. 톱니 디플렉터는 직사각형 디플렉터와 달리 공동 내부의 유동의 유출입을 동시에 일어나게 함으로써 헬름홀츠 공진을 제거하였다.
이 연구에서 우리는 압축성 Navier-Stokes 방정식을 통해 헬름홀츠 공진을 보였으며 시뮬레이션 검증 후, 새로운 개념인 톱니 디플렉터를 제안했다. 톱니 디플렉터는 직사각형 디플렉터와 달리 공동 내부의 유동의 유출입을 동시에 일어나게 함으로써 헬름홀츠 공진을 제거하였다. 톱니 효과의 메커니즘을 이해함으로써 톱니 디플렉터가 헬름홀츠 공진을 제거하는데 유용하게 사용될 수 있다.

대상 데이터

100만개 이상의 언스트럭쳐 메시(unstructured mesh)를 사용하여 시뮬레이션이 수행되었으며 정상상태 값을 비정상상태의 초기 상태로 사용하였다. 경계값은 실험 상황과 동일하게 부여하여 시뮬레이션 되었다.

데이터처리

시뮬레이션은 Purdue 대학의 Herrick 연구실에서 실행한 실험을 토대로 타당성 검증을 수행하였다(10). 공동 모델은 Fig.

이론/모형

난류 모델은 전단층과 순환 유동을 잘 표현하기 위해 k - ϵ 난류 모델을 사용하였다. k-방정식과 ϵ-방정식은 식 (3)과 식 (4)와 같이 표현된다.
헬름홀츠 공진을 수치적으로 해석하기 위해 압축성 unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes(URANS)를 이용하였다. URANS는 하나의 불안정성(gross unsteadiness)을 갖는 유동 중 소용돌이가 출렁이는 주파수(vortex shedding frequency)가 톤 주파수인 유동을 잘 예측한다(9).

성능/효과

시뮬레이션된 결과를 보면 첫 번째 정점이 약 107 Hz에서 발생하며 이 주파수가 공기역학적 불안정성에 있어 핵심적이며 지배적인 주파수임을 확인할 수 있었으며 실험치와 거의 일치하는 것을 확인하였다. 또한 다른 조화 주파수로써 215 Hz, 323 Hz, 그리고 430 Hz에 정점이 있는 것도 확인할 수 있다.

후속연구

톱니 디플렉터는 직사각형 디플렉터와 달리 공동 내부의 유동의 유출입을 동시에 일어나게 함으로써 헬름홀츠 공진을 제거하였다. 톱니 효과의 메커니즘을 이해함으로써 톱니 디플렉터가 헬름홀츠 공진을 제거하는데 유용하게 사용될 수 있다.

참고문헌 (11)

Nelson, P. A., Halliwell, N. A. and Doak, P. E., 1981, Fluid Dynamics of a Flow Excited Resonance, Part Ⅰ: Experiment, Journal of Sound and Vibration, Vol. 78, No. 1, pp. 15~38.

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Harrington, M. C., 1957, Excitation of Cavity Resonance by Air Flow, Presented at the Meeting of the Division of Fluid Dynamics of the American Physical Society, New York.
Balasubramanian, G., Crouse, B. and Freed, D., 2009, Numerical Simulation of Leakage Effects on Sunroof Buffeting of an Idealized Generic Vehicle., AIAA 2009-3348
Ver, I. L., 1987, Noise of Jet Engine Test Cells, Naval Facilities Engineering Command, Jet Engine Test Cell Meeting.
Hersh, A. S. and Hayden, R. E., 1971, Aerodynamic Sound Radiation from Lifting Surfaces with an Without Leading-edge Serrations, NASA Technical Report CR-114370.
Howe, M. S., 1991, Aerodynamic Noise of a Serrated Trailing Edge, Journal of Fluids and Structures, Vol. 5, No. 1, pp. 33~45.

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Kim, T. H., 2014, A Numerical Study on Generation and Reduction of Rotating Blades Broadband Noise, Ph.D. Thesis, Seoul National University.
Iaccarino, G., Ooi, A., Durbin, P. A. and Behnia, M., 2003, Reynolds Averaged Simulation of Unsteady Separated Flow, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 24, No. 2, pp. 147~156.

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Wang, Y. P., Lee, H. C., Li, K. M., Gu, Z. Q. and Chen, J., 2012, Experimental and Numerical Study of Flow Over a Cavity for Reduction of Buffeting Noise, Acta Acustica United with Acustica, Vol. 98, No. 4, pp. 600~610.

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Ashcroft, G. B., Takeda, K. and Zhang, X., 2003, A Numerical Investigation of the Noise Radiated by a Turbulent Flow Over a Cavity, Journal of Sound and Vibration, Vol. 265, No. 1, pp. 43~60.

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