[논문]공명 흡음판 위 가이드 그릴의 형상이 공진기 흡입 유동에 미치는 영향

배현우; 성재용; 이동훈

doi:10.7735/ksmte.2016.25.3.182

공명 흡음판 위 가이드 그릴의 형상이 공진기 흡입 유동에 미치는 영향
Effect of the Shape of a Guide Grill Above a Resonance Type Sound Absorbing Panel on Intake Flow into a Resonator 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.25 no.3, 2016년, pp.182 - 188

배현우 (Graduate school, Department of Mechanical Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 성재용 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 이동훈 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates cavity flows through a guide grill above a resonator. Vortex distributions and intake flows are simulated for various shapes of the guide grill. The flows are assumed to be compressible, unsteady, and turbulent. Numerical simulations are conducted using a large eddy simulation (LES) model. To analyze the effect of the guide grill shape, three cavity lengths (0.2H, 0.6H, and 1.0H) and cavity angles ($30^{\circ}$, $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$) are considered based on resonator height (H). The results show that the vortex generated in the resonator by cavity flow increases with cavity length. Thus, the intake flow is minimum at the smallest cavity length and angle. However, when cavity length is equal to resonator height, the intake flow decreases. The maximum intake flow occurs at a cavity angle $45^{\circ}$ at higher cavity lengths owing to the interaction between the vortex in the resonator and intake flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공동의 양쪽이 모두 열려있는 공동 해석에 대하여 비교할만한 연구 결과가 미비하다. 따라서 본 연구에서는 Demirdzic 등^[10]이 제시한 평행사변형 형상(skewed cavity)의 공동 유동에 대한 검증용 해(benchmark solution)와 비교하여 수치해석 기법을 검증하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 터널 벽면의 유동이 가이드 그릴을 통해 공진기로 전달되는 유동 특성을 분석하여 가이드 그릴의 형상이 흡입 유동에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 2차원 압축성 비정상 난류 유동으로 가정하여 수치해석을 수행하고, 다양한 형상의 가이드 그릴 설계 인자에 대해 공진기로의 흡입 및 방출되는 유동의 와류와 주파수 특성을 고찰한다.
본 연구에서는 LES 기법을 이용하여 슬릿 형태의 관통부를 가진 가이드 그릴 형상이 흡입 유동에 미치는 영향을 규명하였다. 다양한 가이드 그릴 형상을 적용하기 위하여 공동의 각도는 30°, 45°, 60°, 공동의 길이(L)는 공진기의 높이(H)에 대하여 0.

가설 설정

이러한 압축성 유동은 공진기 내부에서 댐핑 작용을 하여 흡음판의 소음 저감 효과를 감소시킬 뿐 아니라, 공동에서 발생하는 와류 진동에 의한 2차 소음을 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 공동 유동을 압축성 난류 유동으로 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 터널 벽면의 유동이 가이드 그릴을 통해 공진기로 전달되는 유동 특성을 분석하여 가이드 그릴의 형상이 흡입 유동에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 2차원 압축성 비정상 난류 유동으로 가정하여 수치해석을 수행하고, 다양한 형상의 가이드 그릴 설계 인자에 대해 공진기로의 흡입 및 방출되는 유동의 와류와 주파수 특성을 고찰한다.
다양한 가이드 그릴 형상을 적용하기 위하여 공동의 각도는 30°, 45°, 60°, 공동의 길이(L)는 공진기의 높이(H)에 대하여 0.2H, 0.6H, 1.0H로 변화시키면서 수치해석을 수행하였다.
다양한 형상에 대한 유동 특성을 분석하기 위하여 터널과 공동이 이루는 공동 각도(θ), 공동의 길이(L)를 해석 변수로 설정하였다.
터널의 상단은 y 방향으로의 속도 구배가 없도록 Neumann 조건을 적용하였다. 또한 터널의 입출구와 터널의 상단을 제외한 터널의 바닥면과 공동의 벽, 공진기의 벽은 모두 점착(no-slip wall) 조건을 적용하였다. 따라서 공진기는 공동의 바닥(cavity bottom)을 제외한 모든 면이 벽으로 둘러싸여 있어, 공동을 통해 공진기로 들어오는 흡입 유동(intake flow)과 터널로 다시 빠져나가는 방출 유동 (outtake flow)을 반복하는 형태의 유동현상을 가진다.
0H로 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 통해 공동과 공진기에서 발생하는 와류와 공진기로 전달되는 흡입 유동을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
검증 결과로부터 해석에 사용된 격자 수가 수치 해석에 적합함을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 터널 벽면에서의 공동 유동과 공진기 내부로 전달되는 흡입 유동에 대한 해석을 수행하였다.
해석 변수는 실제 가이드 그릴 제작 공정 시 적용 가능한 최소 조건인 30°, 0.2H를 포함하여 각각 3가지 조건(θ=30°, 45°, 60°, L=0.2H, 0.6H, 1.0H)에 대한 해석을 수행하였다.

대상 데이터

공동의 네 변의 길이는 모두 같고 공동의 각도는 45°이며, 공동의 상단은 일정한 속도 U로 움직인다. 해석에 사용된 격자는 정렬 격자가 사용되었고, 가이드 그릴 공동의 격자에 사용된 것과 동일한 크기를 가지도록 하였다. Fig.

이론/모형

μt를 계산하는 방법에는 여러 가지 모델이 있는데 본 연구에서는 벽 근처에서의 유동 해석에 적합한 WALE(wall adapting local eddy viscosity) 모델을 사용하였다.
반면에, LES (large eddy simulation)모델은 Navier-Stokes 운동량 방정식의 필터링을 통하여 DNS 모델에서 가지는 문제점을 해소함과 동시에 비교적 높은 정확도를 제공하는 모델로서 많이 사용된다. 본 연구에서는 공동 유동을 해석하기 위하여 LES 모델을 지배방정식으로 사용하여 해석을 수행하였다.
경계조건으로서 터널의 입구 속도는 실제 지하철 최고 운행 속도인 100 km/h(=27 m/s)로 하였고, 터널의 출구는 대기압이다. 터널의 상단은 y 방향으로의 속도 구배가 없도록 Neumann 조건을 적용하였다. 또한 터널의 입출구와 터널의 상단을 제외한 터널의 바닥면과 공동의 벽, 공진기의 벽은 모두 점착(no-slip wall) 조건을 적용하였다.

성능/효과

(1) 공진기 내부에서 발생하는 와류의 크기는 공동의 길이가 길수록 증가한다. 이러한 와류는 공동의 길이(L)와 공진기의 높이(H)가 같을 때, 즉 L=1.
(2) 공진기로 전달되는 흡입 유량은 공동의 각도가 30°, 공동의 길이가 0.2H일 때 가장 작게 나타난다.
(3) 흡입 유동은 흡입과 방출을 반복하며 진동하는 특성을 가진다. 따라서 각각의 공동의 형상에 따라 특정 주파수를 가지게 되는데 특히, 공동의 길이가 1.
비교 결과 Demirdzic 등^[10]의 결과와 잘 일치한다. 검증 결과로부터 해석에 사용된 격자 수가 수치 해석에 적합함을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 터널 벽면에서의 공동 유동과 공진기 내부로 전달되는 흡입 유동에 대한 해석을 수행하였다.

후속연구

이러한 특성은 와류가 형상에 따라 각각 특정한 주기를 가지며 반복됨을 의미한다. 이로 인해 발생하는 와류 진동은 2차 소음을 야기하므로, 공진기로 전달되는 흡입 유동의 주기성을 분석하는 것이 중요하고 이를 통해 추후 소음 특성과 접목시킨 연구에서 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 제시한 음향 간섭 장치의 대표적인 예는 무엇인가?	또한 방음벽에 음향 간섭 장치를 적용할 경우 소음 저감에 더 효과적이라는 연구 결과가 있다[6] . 가이드 그릴이 있는 흡음판은 이러한 간섭 장치 중 하나이다 (Fig. 1 참조).
	2014년 서울시 기준 대중교통 중 가장 널리 사용되고 있는 것은?	도시철도는 2014년 서울시를 기준으로 연간 약 19억 명 이상의 승객을 수송하는 가장 널리 이용되고 있는 대중교통이다[1] . 생활수준이 향상됨에 따라 안전성과 정확성뿐만 아니라 철도 운행 시 발생하는 소음을 저감하기 위한 많은 노력이 기울어지고 있다.
	도시철도 운행시 발생하는 소음원은 무엇인가?	특히 도시철도가 터널을 지날 때 터널 내부에 100 dB(A)가 넘는 소음이 발생되며 객실 내부로 80 dB(A)가 넘는 소음이 전파된다[2] . 이러한 터널 내 도시철도 운행 시 발생하는 소음원은 크게 레일과 지하철의 휠의 마찰로 인한 스퀼 소음(squeal noise)과 터널 내부에 발생하는 강한 압력파와 빠른 속도의 유동장에 의한 공력 소음이 있다[3,4] .이러한 소음이 객실내부로 전파하는 것을 차단하기 위해서는 차량 자체의 소음차단 능력을 향상시키면 되지만, 차량 무게의 증가로 운전비용 증가와 함께 차량의 제조단가가 상승하게 된다.

참고문헌 (10)

National Statistical Office, viewed 2015, Annual report on the amount of urban railway transportation, .
Choi, J. K., Lee, J. W., Chang, I. S., 2001, A Study on Squeal Noise Control by Absorption Treatment in Urban Rail Transit System, T. KSNVE, 11:4 58-64.
Lee, I. M., Choi, S. S., Park, B., 1994, Prediction and Control of Noise and Vibration in Building From Underground Rail Systems, J. KSRM, 4:2 77-86.
Oh, Y. K., Kim, H. G., Lee, W., Y., 2004, Evaluation and Prediction of the Characteristics of Noise Reduction Depending on the Shapes of the Tunnel Section, JAIK, 20:8 177-84.
Raghunathan, R. S., Kim, H. D., Setoguchi, T., 2002, Aerodynamics of High-speed Railway Train, Progress in Aerospace Science, 38:6-7 469-514.

상세보기
Jang, K. S., Yoon, J. W., Kim, Y. C., Kim, D. H., 2001, The Study of the Experimental Evaluation for the Interference Device on the Noise Barrier Edge, KSNVE, 1 844-848.
Howe, M. S., 2004, Mechanism of Sound Generation by Low Mach Number Flow over a Wall Cavity, JSV 273:1-2 103-123.

상세보기
Alvarez, J. O., Kerschen, E. J., Tumin, A., 2004, A Theoretical Model of Cavity Acoustic Resonance in Subsonic Flow, AIAA J. 2004-2845.
Erturk, E., Gokcol, O., 2007, Fine Grid Numerical Solutions of Triangular Cavity Flow, EPJ. Appl. Phy., 38:1 97-105.

상세보기
Demirdzic, I., Lileka, Z., Peric, M., 1992, Fluid Flow And Heat Transfer Test Problems For Non-orthogonal Grids: Bench-mark Solutions, IJNM, 15 329-354.

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