[논문]고성능 저소음 원심펌프 개발을 위한 임펠러 익형 최적설계

송영욱; 유서윤; 정철웅; 김태훈; 구준효

doi:10.7776/ask.2023.42.6.519

[국내논문] 고성능 저소음 원심펌프 개발을 위한 임펠러 익형 최적설계
Optimization of impeller blade shape for high-performance and low-noise centrifugal pump 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.42 no.6, 2023년, pp.519 - 528

송영욱 (부산대학교 기계공학부) , 유서윤 (부산대학교 기계공학부) , 정철웅 (부산대학교 기계공학부) , 김태훈 (LG전자) , 구준효 (LG전자)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 식기 세척기 내 원심펌프를 대상으로 수치적/실험적 연구를 통해 최적 설계를 수행하였으며 유량 및 소음 성능을 개선하고자 하였다. 먼저 대상 원심펌프의 특성을 실험적으로 분석하기 위해 펌프 성능시험기를 통한 유량 실험과 반 무향실에서의 소음 실험을 진행하였다. 원심펌프 회전에 따른 내부 유동 및 유동 소음 성능을 수치적으로 모사하기 위해 전산유체역학 기반의 Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Ffowcs Williams and Hawkings 방정식을 지배 방정식으로 수치해석을 수행하였다. 실험 결과와의 비교를 통해 수치 기법의 유효성을 검증하였으며, 검증된 수치 기법을 활용하여 원심펌프 내 임펠러 형상에 대한 최적 설계를 수행하였다. 수치 기법의 활용을 통해 최적 설계된 임펠러의 개선된 유량 성능을 수치적으로 확인하였으며, 유동장 분석을 통해 임펠러 형상 각도 변화에 따른 유동 특성 변화 및 개선을 확인하였다. 또한, 시제품 제작 및 실험을 통해 개선 유량 성능을 검증하였으며, 팬 법칙에 의거하여 동일 유량에서 소음 수준이 감소함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study was to enhance the flow rate and noise performance of a centrifugal pump in dishwashers by designing an optimized impeller shape through numerical and experimental investigations. To evaluate the performance of the target centrifugal pump, experiment was conducted using a pump performance tester and noise experiment was carried out in a semi-anechoic chamber with microphones and a reflecting wall behind the dishwasher. Through the use of advanced computational fluid dynamics techniques, numerical simulations were performed to analyze the flow and aeroacoustics performance of our target centrifugal pump impeller. To achieve this, numerical simulations were carried out using the Reynolds-Average Navier-Stokes equations and Ffowcs-Willliams and Hawkings equations as governing equations. In order to ensure the validity of numerical methods, a thorough comparison of numerical results with experimental results. After having confirmed the reliability of the current numerical method of this study, the optimization of the target centrifugal pump impeller was conducted. An improvement in flow rate was confirmed numerically, and a manufactured proto-type of the optimized model was used for experimental investigation. Furthermore, it was observed that by applying the fan law, we could effectively reduce noise levels without reducing the flow rate.

주제어

표/그림 (27)

그림 Fig. 1. (Color available online) Target centrifugal system.
그림 Fig. 2. (Color available online) Centrifugal impeller.
그림 Fig. 3. (Color available online) Pump performance tester.
그림 Fig. 4. H-Q curve of target centrifugal pump.
그림 Fig. 5. (Color available online) Semi-anechoic chamber.
표 Table 1. Information of signal processing and equipment.
그림 Fig. 6. (Color available online) Spectrum of sound pressure level of dishwasher and background.
그림 Fig. 7. (Color available online) 1/3 Octave band of measured sound pressure level.
그림 Fig. 8. (Color available online) 1/3 Octave band for the difference between measured and background noises.
그림 Fig. 9. (Color available online) Flow path of dishwasher during the cleaning mode.
그림 Fig. 10. (Color available online) Virtual pump performance tester.
그림 Fig. 11. (Color available online) Grids of rotor and stator region.
그림 Fig. 12. (Color available online) Y plus distribution of centrifugal pump.
그림 Fig. 13. (Color available online) Comparison of measured flow performance and predicted one.
그림 Fig. 14. (Color available online) Contour of vorticity magnitude.
그림 Fig. 15. (Color available online) Iso-contour of turbulent kinetic energy (0.5).
그림 Fig. 16. (Color available online) Design parameter.
표 Table 2. Range of design parameters for optimization.
그림 Fig. 17. (Color available online) Calculated volume flow rate according to blade angles change.
그림 Fig. 18. (Color available online) Influence on flow rate by design parameters.
그림 Fig. 19. (Color available online) Response surface.
그림 Fig. 20. (Color available online) Optimal model.
표 Table 3. Optimal model blade angle.
그림 Fig. 21. (Color available online) Comparison of original and optimal pump system at front : spectrum of sound pressure level.
그림 Fig. 22. (Color available online) Comparison of original and optimal pump system : Head-volume flow rate curve.
표 Table 4. Information of signal processing.
표 Table 5. Comparison of original and optimal pump system : Overall sound pressure level.

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