[논문]8kW급 디젤발전기 소음기 내부 유동에 관한 수치해석

이중섭; 이태의; 이치우

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.3.045

8kW급 디젤발전기 소음기 내부 유동에 관한 수치해석
Numerical analysis of the Internal Flow of 8kW Grade Diesel Generator Muffler 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.3, 2018년, pp.45 - 50

이중섭 (경남과학기술대학교) , 이태의 ((주)티젠 기술연구소) , 이치우 (경남과학기술대학교 자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

From the flow analysis of the silencer for 8 kW diesel generators, the following results were obtained. For silencer-1, it was confirmed that the holes formed at the inlet-side portion connect into the exhaust pipe in the chamber. The exhaust pipe installed inside silencer-1 was integrally connected through the holes in the chamber. As a result, it was confirmed that the pressure inside the chamber was kept stable. It was confirmed that the pressure loss generated inside an absorptive type silencer such as silencer-2 was small. The differential pressure of the inlet-outlet of silencer-1 and silencer-2 was confirmed to be 494 Pa at 15 m/s, 859 Pa at 20 m/s, 1326 Pa at 25 m/s, and 1911 Pa at 30 m/s.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 보조동력장치에 적용되는 소음기 내부 유동해석을 통해 압력손실 및 기초설계 자료를 확보하고자 한다.
본 연구에서는 소음기 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정하였고, 소음기 내부에서의 속도분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식이며, 난류모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 Realizable k-ε Two-Layer model모델을 사용하고자 하였다.

가설 설정

따라서 소음기로 유입되는 유량은 엔진회전수에 따라 실제로는 다르지만 동일한 유량이라고 가정하면 소음기-1과 소음기-2로 유입되는 유량은 동일하다고 할 수 있다. 또한 소음기-2의 출구는 대기로 방출되기 때문에 대기압이 일정하게 작용하고 있다고 가정하였다.
배기관에서 소음기로 유입되는 배기가스의 유속은 15m/s, 20m/s, 25m/s, 30m/s일 경우에 대하여 유동해석을 수행하였고, 소음기-2의 출구는 대기압으로 가정하였다.

제안 방법

수치해석 기법으로는 지배방정식에서 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(Semi-implicit Method for Pressure-Linked Equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 사용하였으며, 해석결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판정은 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값으로 고정된 계산결과가 나타날 때 수렴 판정의 기준으로 삼았다. 소음기 내부 유동을 수치해석하기 위하여 [그림-3]과 같이 소음기-1과 소음기-2로 나누어 계산을 수행하였다.
소음기-2에 대한 유동해석 결과에서 입구에서 발생되는 압력을 소음기-1의 출구압력으로 설정하고, 소음기-1의 입구는 유속을 경계조건을 부여하여 전체 소음기에 대한 유동특성에 대하여 수치해석을 수행하였다.

이론/모형

수치해석 기법으로는 지배방정식에서 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(Semi-implicit Method for Pressure-Linked Equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 사용하였으며, 해석결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판정은 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값으로 고정된 계산결과가 나타날 때 수렴 판정의 기준으로 삼았다. 소음기 내부 유동을 수치해석하기 위하여 [그림-3]과 같이 소음기-1과 소음기-2로 나누어 계산을 수행하였다.

성능/효과

1. 소음기-1의 경우 입구쪽 부분에 타공된 홀은 Chamber로 빠져나기 보다는 Chamber에서 배기관으로 유입되는 것을 확인하였다.
2. 소음기-1의 내부에 설치된 배기관은 일체로 연결되어 있는 효과가 있으며, 타공된 홀을 통해 서로 Chamber로 빠져나가면서 연결되어 있었다. 이로인해 Chamber 내부의 압력이 서로 비슷하게 유지됨을 확인할 수 있었다.
3. 소음기-2와 같이 Absorption 타입의 소음기의 경어 내부에 발생되는 압력손실이 적게 발생됨을 확인할 수 있었다.
4. 소음기-1과 소음기-2의 입-출구에 대한 압력을 확인한 결과 15m/s일 경우 494Pa, 20m/s일 경우 859Pa, 25m/s일 경우 1326Pa 그리고 30m/s일 경우 1911Pa의 차압이 발생함을 확인할 수 있었다.
10은 소음기-1과 소음기-2의 입-출구 압력을 유입 속도에 따라 비교한 것이다. 결과에서 확인할 수 있듯이 소음기-1로 유입되어 소음기-2의 출구로 빠져나가면서 압력은 선형적으로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
이 때 배기관은 타공으로 되어있기 때문에 배기가스는 타공부분으로 일부 빠져나가고 중간 배관의 타공에서 빠져나온 배기가스와 함께 복잡한 유동장이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Chamber-2의 경우 배기관 전체에 걸쳐 타공되어 있기 때문에 배기관에서 빠져나오는 유동을 확인할 수 있었고 이로인해 복잡한 유동장이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
입구 유속이 증가하면서 압력이 전반적으로 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 소음기 내부에서 가장 높은 압력이 발생되는 부분은 Chamber-3에서 입구에서 유입되는 유동이 배기관의 곡률에 의해 발생됨을 확인할 수 있었다. 이때 타공 홀을 통해 빠져나가는 유동이 가장 많이 발생하는 부분임을 알 수 있었다.
9는 소음기-2의 중앙단면에서 유선분포를 비교한 것이다. 유선분포를 살펴보면, 유입구와 연결된 타공관 내부에서는 유속방향으로 잘 흘러가고 있음을 확인할 수 있었고, 소음기 중간지점부터는 타공관을 빠져나가 소음기 입구방향과 출구방향으로 분리되는 것을 확인할 수 있었다.
5는 소음기-1의 중앙단면에 대한 압력분포를 나타낸 것이다. 입구 유속이 증가하면서 압력이 전반적으로 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 소음기 내부에서 가장 높은 압력이 발생되는 부분은 Chamber-3에서 입구에서 유입되는 유동이 배기관의 곡률에 의해 발생됨을 확인할 수 있었다.
전반적으로 소음기 내부 압력을 살펴보면 출구에서는 압력이 떨어지는 반면 소음기 내부 각각의 Chamber에서의 압력차는 많이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
7은 소음기-2의 중앙단면에서 압력분포를 비교한 것이다. 전반적으로 입구유속이 증가할수록 소음기-2의 내부압력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 압력이 가장 높게 발생되는 부분은 내부 타공관이 설치되 입구 부분에서 압력이 가장높게 발생하였다.
해석결과분석에 앞서 예상된 속도벡터의 분포는 소음기 중앙에 입구와 출구에 연결된 타공관을 통해 소음기로 유동이 이동할 것으로 예측하였으나 계산결과 입구쪽에 가까울수록 타공관 밖에서 안으로 유입되는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤 발전기가 방위산업의 궤도차량에 사용되는 이유는 무엇인가?	또한 미세먼지와 같은 유해물질로 인해 청정에너지 및 신재생에너지에 대한 관심도 증가되고 있으며, 국가정책적 지원도 증가되고 있는 상황이다. 반면 방위산업의 궤도차량의 경우 효율적인 장비운영을 위해 디젤 발전기를 적극적으로 적용하고 있다. 여기 발전기에서 전력생산을 담당하는 부분을 디젤엔진을 사용하여 발전기를 구동시켜 전력을 생산하게 된다.
	군수용 차량의 소음기에 대한 저소음화의 한계는 무엇인가?	그동안의 국내/국외의 기술 개발은 주로 육상용 차량 및 대형 선박용 발전기 기술이 주요 연구개발 대상 분야로써 중점적으로 이루어져왔으나, 방위산업의 군수용 차량의 소음기에 대한 저소음화를 위한 설계 기술개발은 취약하였다. 일반 승용차량 디젤차량에서는 저소음화가 달성되었으나, 군수용에서는 설치공간 및 위치제약으로 소음저감 수준에 한계가 있었다.
	디젤 발전기의 적용분야는 어떤 것이 있는가?	여기 발전기에서 전력생산을 담당하는 부분을 디젤엔진을 사용하여 발전기를 구동시켜 전력을 생산하게 된다. 디젤 발전기의 적용분야를 구체적으로 살펴보면, 민수분야인 일반 산업용에서는 대형건물의 전력발전용, 낙도, 건설현장의 비상발전, 중장거리 대형 상용 트럭에서는 트럭 후방에 장착되어 실내 냉·난방장치 구동 및 요리에 필요한 전력공급, 한 겨울철의 차량의 고압세척, 해상 선박의 비상전력 공급, 선박이 조난하였을 때에 인명을 구하기 위하여 갖춘 설비인 구명정, 철도차량에서는 열차의 견인력을 얻는 주 전력 변환장치와는 별도로 각종 제어장치 및 승객 서비스 장치에 전원을 공급하는 역할 등으로 사용되고 있으며, 그 용도가 점차 증가되고 있는 실정이다. (1-4)

참고문헌 (9)

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Lee, T. E., Suh, J. S., Yi, C. S., Chung K. T., Yun, J. H. and Park, C. W., "Effect of Area Change of Exhaust Hole on Temperature Distribution in Engine Room of Auxiliary Power Unit for Tracked Vehicle", KSPE 2010 Spring, pp. 877-878, 2010.
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Hountalas, T. D., "Prediction of Marine Diesel Engine Performance Under Fault Conditions", Applied Thermal Engineering, Vol. 20, Issue 18, pp. 1753-1783, 2000.

상세보기
Yi. C. S., Chin. D. H., "Numerical Analysis of the Development of an Air Conditioning Duct for Marine and Oil Drilling Ships", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.16, No.2, pp.50-55, 2017.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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