An axial fan has competitive advantages that can make air flow more straight and longer and produce larger air volume than the other kinds of fans. In those reasons, axial fans are widely used for ventilator, 4D cinema, duct, and so on. But, as it was designed and manufactured without any mathematic...
An axial fan has competitive advantages that can make air flow more straight and longer and produce larger air volume than the other kinds of fans. In those reasons, axial fans are widely used for ventilator, 4D cinema, duct, and so on. But, as it was designed and manufactured without any mathematical analysis or computer simulations, it is difficult to develop the performance of axial fans. Actually the axial fan is designed and manufactured in industry by imitation or traditional method. Flow velocity and volume of axial fan are changed by pitch angle, frame, the number of blade, camber angle, and chord length. In this paper, the performance of axial fan was analyzed and by computer program known as CFD. Finally, we have designed a new axial fan whose velocity and volume is improved. The performance of new axial fan is also compared with the of conventional fans experimentally.
An axial fan has competitive advantages that can make air flow more straight and longer and produce larger air volume than the other kinds of fans. In those reasons, axial fans are widely used for ventilator, 4D cinema, duct, and so on. But, as it was designed and manufactured without any mathematical analysis or computer simulations, it is difficult to develop the performance of axial fans. Actually the axial fan is designed and manufactured in industry by imitation or traditional method. Flow velocity and volume of axial fan are changed by pitch angle, frame, the number of blade, camber angle, and chord length. In this paper, the performance of axial fan was analyzed and by computer program known as CFD. Finally, we have designed a new axial fan whose velocity and volume is improved. The performance of new axial fan is also compared with the of conventional fans experimentally.
본 연구는 축류팬의 수많은 변수 중에서 풍속과 풍량 개선을 위한 중요 변수들을 선정하고 이 변수들의 변화에 따른 축류팬의 성능을 이론적으로 분석하였으며, 시뮬레이션을 이용해 이론적 분석 결과를 확인하였다. 이러한 연구는 복잡한 기존 축류팬 설계에서의 시행착오를 줄이고 보다 쉽게 축류팬을 설계할 수 있는 이론적인 기반을 만드는 것이 될 것이다.
제안 방법
이러한 분석을 통해 축류팬의 풍속과 풍량의 개선을 위한 새로운 설계안을 제안하였다. 새로운 제안에 따라 개선된 모델을 이론적으로 분석하고 CFD에 적용하여 시뮬레이션하고, 이론적 결과와 시뮬레이션의 결과가 비슷한 양상을 보이고 있는지 확인한다. 최종적으로 이론적 분석과 CFD를 통하여 얻어낸 개선된 모델을 실제 제작하고, 축류팬의 풍속과 풍량을 측정한다.
새로운 제안에 따라 개선된 모델을 이론적으로 분석하고 CFD에 적용하여 시뮬레이션하고, 이론적 결과와 시뮬레이션의 결과가 비슷한 양상을 보이고 있는지 확인한다. 최종적으로 이론적 분석과 CFD를 통하여 얻어낸 개선된 모델을 실제 제작하고, 축류팬의 풍속과 풍량을 측정한다. 결과적으로 이론적으로 분석한 결과와 CFD를 통해 얻은 결과, 그리고 실제 실험을 통해 얻어낸 결과를 비교하여 실제 성능이 향상이 되었는지를 검증하였다.
최종적으로 이론적 분석과 CFD를 통하여 얻어낸 개선된 모델을 실제 제작하고, 축류팬의 풍속과 풍량을 측정한다. 결과적으로 이론적으로 분석한 결과와 CFD를 통해 얻은 결과, 그리고 실제 실험을 통해 얻어낸 결과를 비교하여 실제 성능이 향상이 되었는지를 검증하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 축류팬은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 팬(동건공업의 DTV-500)이고, 풍속은 축류팬의 토출부의 상단부에서 측정하였다. 그리고 축류팬의 직경과 피치각, 코드길이 등 기구적 측정을 통해 3D 모델링하였다.
데이터처리
실제 축류팬을 최고 모터 회전속도 1,680 rpm에서 작동시켜 풍속을 측정한 결과는 18 m/s였다. 동일한 조건 1,680 rpm에서 3D 모델을 CFD프로그램으로 시뮬레이션하였고, 그 결과는 Fig. 1과 같다. 실제 측정값 18 m/s에 거의 근접한 것을 알 수 있었다.
앞에서의 자료 분석을 통해 피치각과 코드길이, 캠버각, 국부적 캠버각을 조절하여 개선 방향을 설정하여 시뮬레이션을 하였다. 먼저 국부적 캠버각 변화에 따른 실험을 하고 캠버각, 피치각과 코드길이 순으로 진행한다.
성능/효과
기존 모델의 효율은 2.8309에서 2.8942로 2.12% 증가하였다.
49 m/s를 얻었다. 시뮬레이션 결과 18.5 m/s와 오차 0.01 m/s로 아주 근소한 차이를 보였다. Fig.
본 논문에서는 축류팬의 성능 향상을 위해 많은 성능 변수 중에 중요한 변수를 선정하고 이 변수들이 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 축류팬의 풍속에 큰 영향을 미치는 변수는 피치각, 코드길이, 캠버각, 국부적 캠버각 등이었으며 이론적인 자료 분석을 통해 축류팬에서는 피치각의 증가를 통해 풍속과 풍량을 개선할 수 있었다. 다른 축류팬의 개발에도 피치각과 코드길이, 캠버각, 국부적 캠버각의 변화를 통해 개발할 수 있다.
후속연구
본 연구는 축류팬의 수많은 변수 중에서 풍속과 풍량 개선을 위한 중요 변수들을 선정하고 이 변수들의 변화에 따른 축류팬의 성능을 이론적으로 분석하였으며, 시뮬레이션을 이용해 이론적 분석 결과를 확인하였다. 이러한 연구는 복잡한 기존 축류팬 설계에서의 시행착오를 줄이고 보다 쉽게 축류팬을 설계할 수 있는 이론적인 기반을 만드는 것이 될 것이다.
축류팬의 풍속에 큰 영향을 미치는 변수는 피치각, 코드길이, 캠버각, 국부적 캠버각 등이었으며 이론적인 자료 분석을 통해 축류팬에서는 피치각의 증가를 통해 풍속과 풍량을 개선할 수 있었다. 다른 축류팬의 개발에도 피치각과 코드길이, 캠버각, 국부적 캠버각의 변화를 통해 개발할 수 있다. 변수들의 변화에 따른 CFD 시뮬레이션을 하고, 압력(p), 풍량(Q), 출력(P)을 팬 직경(D), 회전속도(N), 밀도(ρ)로 정리하여 압력계수(ψ), 풍량계수(Φ), 동력계수(ξ)를 구한다.
축류팬의 풍속 및 풍량 개발을 위해서 고안된 본 연구는 어렵거나 복잡하지 않고 짧은 시간과 간단한 실험을 통해 효과적인 결과를 얻는 방법으로 현장에서 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
축류팬은 어디에 사용되는가?
다른 송풍기에 비해 고속 운전에 적합하고 팬에 전동기를 직결할 수 있으므로 관로의 도중에 간단하게 설치할 수 있다. 또한 저압, 고풍량의 특성으로 인해 통풍, 환기, 배연, 보일러의 압입 통풍 등 산업 전반적으로 쓰이고 있다. 그리고 최근에는 4D 영화관에서 영화의 효율적인 4D 효과 구현을 위해서 많이 사용되고 있다.
축류팬을 경험적으로 설계하여 생산하고 있는 이유는 무엇인가?
이러한 축류팬은 산업 현장에서는 계산이나 공학적인 설계 없이 경험적으로 설계를 하고 생산을 하고 있다. 이는 축류팬의 이론적인 성능 분석이 전산해석 기법과 수치해석, 공기역학적인 방법 같은 복잡한 계산으로 이루어져 있기 때문이다. 본 연구는 축류팬의 수많은 변수 중에서 풍속과 풍량 개선을 위한 중요 변수들을 선정하고 이 변수들의 변화에 따른 축류팬의 성능을 이론적으로 분석하였으며, 시뮬레이션을 이용해 이론적 분석 결과를 확인하였다.
축류팬 개발에서 중요한 무차원수는 어떻게 구하는가?
축류팬 개발에서 기본적으로 중요하게 사용되는 무차원수는 압력계수, 풍량계수, 동력계수 등이 있다. 압력계수(ψ), 풍량계수(Φ), 동력계수(ξ)는 각각의 압력(p), 풍량(Q), 출력(P)을 팬 직경(D), 회전속도(N), 밀도(ρ)로 무차원화한 것이다. 이 세 개의 무차원수를 이용하여 효율을 계산할 수 있다.
참고문헌 (8)
Jeon, S. T., Cho, J. T., 2012, Effect of Pitch Angle and Blade Length on an Axial Flow Fan Performance, Korean J. Air conditioning and Ref. Eng., 1:25 43-48.
Kim, C. J., 1996, Effects of pitch angle and maximum camber on an axial flow fan performance, Korean J. Air conditioning and Ref. Eng., W-40 269-274.
Lee, S. J., 2010, Parametric Design of Axial Fan for Air-Conditioning Unit in terms of Aerodynamic Performance and Noise Level, Master Thesis, Inha University, Republic of Korea.
Kim, Y. H., 2007, Design of slim, High-efficient, 3-D Bladed Turbo Fan, Master Thesis, Inha University, Republic of Korea.
Kim, J. M., 2004, Study on Centrifugal Blower with High Inlet Resistance, Master Thesis, Sunmoon Univercity, Republic of Korea.
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