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문제 정의
- 이 논문에서는 냉장고 냉동실내 냉기 순환용으로 사용되는 원심홴의 고성능/저소음화 설계를 실시하였다. 먼저 실험 및 수치 해석을 통해 대상 원심홴의 성능을 분석하였으며, 홴 주위 유동장에서 관찰된 와류를 저감시킬 수 있도록 홴의 형상을 변경해 주었다.
제안 방법
- 대상 원심홴의 유동장을 더욱 면밀하게 분석하고 이를 통해 적절한 개선안을 도출하기 위해, 이 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 원심홴의 유동 성능을 예측하였다. 대상 원심홴의 유동 성능을 예측하기 위해, 다음 식과 같은 3차원 비압축성 RANS(Raynolds averaged Navier-Stokes) 방정식을 지배방정식으로 사용하였으며, 지배방정식을 수치적으로 해석하기 위해 상용 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램인 ANSYS fluent를 사용하였다.
- 대상이 되는 원심홴의 유동 성능을 측정하기 위해 홴 테스터를 이용하였다. 홴의 유량은 동일한 회전속도에서 항상 동일하게 나오는 것이 아니라, 대상 홴이 사용되는 환경에 따라 달라지게 된다.
- 이러한 와류는 홴의 에너지 손실을 일으켜 홴의 유량과 효율을 저감시키며, 또한 홴에서 발생하는 소음의 원인 중 하나가 될 수 있다. 따라서 이 논문에서는 대상 원심홴에서 발생하는 이러한 와류를 제거할 수 있도록 성능 개선 모델을 제시하였다.
- 이 논문에서는 냉장고 냉동실내 냉기 순환용으로 사용되는 원심홴의 고성능/저소음화 설계를 실시하였다. 먼저 실험 및 수치 해석을 통해 대상 원심홴의 성능을 분석하였으며, 홴 주위 유동장에서 관찰된 와류를 저감시킬 수 있도록 홴의 형상을 변경해 주었다. 그 결과 제안된 성능 개선 모델이 유량 및 효율, 소음 측면에서 모두 개선된 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 그 결과는 Fig. 11에 나와 있는 바와 같으며, 이 연구에서는 약 820만 개의 사면체 격자를 사용하였다.
- 3에 나와 있는 바와 같이 냉장고의 냉동실에 장착이 되어 냉각된 공기를 순환시키는 역할을 하게 된다(11). 대상 냉장고에서는 냉장실과 냉동실의 공기를 함께 순환시키는 작동 조건과 냉동실의 공기만을 순환시키는 작동 조건을 함께 사용하고 있다. 이중 이 연구에서는 냉동실의 공기만을 순환시키는 작동 조건을 대상으로 하였으며, 냉동실 공기 순환 시 사용되는 1230 r/min을 회전속도로 설정해 주었다.
- 1에 나타낸 것과 같다. 대상 원심홴은 지름이 140 mm이고 9개의 날개를 가진다. 이는 Fig.
- 5에 나타내었다. 이 연구의 대상이 되는 원심홴은 냉각된 공기를 흡입하여 배출하는 역할을 하므로, 두 종류의 시험 모드 중 흡입 모드를 사용하였다.
- 이 연구의 대상이 되는 원심홴의 형상은 Fig. 1에 나타낸 것과 같다.
- 대상 냉장고에서는 냉장실과 냉동실의 공기를 함께 순환시키는 작동 조건과 냉동실의 공기만을 순환시키는 작동 조건을 함께 사용하고 있다. 이중 이 연구에서는 냉동실의 공기만을 순환시키는 작동 조건을 대상으로 하였으며, 냉동실 공기 순환 시 사용되는 1230 r/min을 회전속도로 설정해 주었다.
데이터처리
- 3.1절에서 제시한 해석 도메인을 이용해 대상 원심홴의 유동장을 분석하였다. Fig.
- 4.1절에서 제시한 성능 개선 모델에 대한 실험적 검증을 위해 3D 프린터를 이용해 샘플을 제작하였으며, 이를 이용해 새로운 모델의 유량 및 소음 측정 실험을 실시하였다.
- 이 연구에서 사용한 수치 기법 및 해석 도메인의 유효성을 검증하기 위해, 실험을 통해 측정한 홴의 유량과 수치 해석을 통해 예측한 홴의 유량을 비교하였다. 유량의 측정은 2.2절에서 설명한 홴 테스터를 이용해 홴과 하우징 구조물의 영향을 모두 고려하여 실시되었고, 무부하 상태의 측정값을 수치 해석 결과와 비교하였다.
- 이 연구에서 사용한 수치 기법 및 해석 도메인의 유효성을 검증하기 위해, 실험을 통해 측정한 홴의 유량과 수치 해석을 통해 예측한 홴의 유량을 비교하였다. 유량의 측정은 2.
- 이러한 허브 길이를 연장한 성능 개선 모델에 대해 수치 해석을 실시하였으며, 그 유동장을 기존의 대상 원심홴과 비교하였다
- 0 dBA의 암소음을 가지며, 3200 Hz까지의 음압 레벨 성분을 측정하였다. 측정된 주파수 간격은 1.0 Hz이며, 측정 결과의 신뢰성을 위해 100회의 평균화(averaging)를 실시하였다.
- 해석에 사용된 격자는 ANSYS ICEM CFD를 사용하여 생성하였으며, 격자수에 따른 해석 결과의 차이를 최소화하기 위해 격자 미세화 연구를 실시하였다. 그 결과는 Fig.
이론/모형
- 대상 원심홴의 유동장을 더욱 면밀하게 분석하고 이를 통해 적절한 개선안을 도출하기 위해, 이 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 원심홴의 유동 성능을 예측하였다. 대상 원심홴의 유동 성능을 예측하기 위해, 다음 식과 같은 3차원 비압축성 RANS(Raynolds averaged Navier-Stokes) 방정식을 지배방정식으로 사용하였으며, 지배방정식을 수치적으로 해석하기 위해 상용 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램인 ANSYS fluent를 사용하였다. 해석시 3차원 비압축성 정상 상태 유동을 가정하였으며, Realizable k - ϵ의 난류 모델을 사용하였다.
- 대상 원심홴의 유동 성능을 예측하기 위해, 다음 식과 같은 3차원 비압축성 RANS(Raynolds averaged Navier-Stokes) 방정식을 지배방정식으로 사용하였으며, 지배방정식을 수치적으로 해석하기 위해 상용 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램인 ANSYS fluent를 사용하였다. 해석시 3차원 비압축성 정상 상태 유동을 가정하였으며, Realizable k - ϵ의 난류 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 이러한 변화를 정량적으로 평가하기 위해, 대상 원심홴 및 성능 개선 모델에서 발생하는 유량과 홴 주위의 와도(vorticity)를 비교해 보았으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 그 결과 성능 개선 모델이 대상 원심홴에 비해 유량이 1.895 %만큼 증가하고, 와도가 3.865 %만큼 감소하였음을 확인할 수 있었다.
- 이 연구에서는 실험적/수치적 분석을 통해 냉동실 냉기 순환에 사용되는 원심홴의 성능을 분석하고, 대상 원심홴에서 발생되는 와류를 저감시킴으로써 홴의 유동 및 소음 성능을 향상시켰다. 그 결과 제안된 모델이 기존 모델에 비해, 작동 영역에서 유량이 3.727 %, 정압 효율이 0.865 %, 음압 레벨이 1.7 dBA만큼 개선된 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 결과를 통해, 홴에서 발생하는 불필요한 와류가 홴의 성능을 저감시키고, 소음 발생의 원인이 됨을 확인할 수 있었다.
- 먼저 실험 및 수치 해석을 통해 대상 원심홴의 성능을 분석하였으며, 홴 주위 유동장에서 관찰된 와류를 저감시킬 수 있도록 홴의 형상을 변경해 주었다. 그 결과 제안된 성능 개선 모델이 유량 및 효율, 소음 측면에서 모두 개선된 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
- 7 dBA만큼 개선된 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 결과를 통해, 홴에서 발생하는 불필요한 와류가 홴의 성능을 저감시키고, 소음 발생의 원인이 됨을 확인할 수 있었다.
- 이 연구에서는 실험적/수치적 분석을 통해 냉동실 냉기 순환에 사용되는 원심홴의 성능을 분석하고, 대상 원심홴에서 발생되는 와류를 저감시킴으로써 홴의 유동 및 소음 성능을 향상시켰다. 그 결과 제안된 모델이 기존 모델에 비해, 작동 영역에서 유량이 3.
- 13에 나와 있는 것과 같으며, 수치 해석 결과가 실험 결과에 비해서 낮게 예측되었다. 하지만 두 결과가 유사한 경향성을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 이 연구에서 사용한 수치 기법 및 해석 도메인의 유효성을 검증할 수 있었다.
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