[논문]진공청소기용 터보팬 내부 유동 해석

이기춘; 허남건; 김창준; 전완호

문제 정의

rl러므로 본 연구에서는 진공청소기에 사용되는 터보팬의 임펠러, 디퓨져, 리턴 채널의 내부 유동 혜석을 동시에 수행하여 임펠러와 디퓨져 각각의 내부 유동뿐만 아니라 임펠러 출구와 디퓨져 입구 사이의 유동 특성을 파악하려고 한다. 해석 대상은 국내 전자업체의 진공청소기에 사용될 46S모델과 380모델 두 가지이며 각각 회전 속도와 유량 변화에 따른 압력을 계산하여 실험값® 과 비교하였다.
본 연구에서는 진공청소기용 터보팬의 임펠러, 디퓨져 그리고 리턴 채널 내부의 유동을 Mixing plane approach를 사용하여 동시에 해석함으로써 임펠러와 디퓨져 사이와 리턴 채널 내부의 유동 특성을 해석하였다. 또한 두 가지 모델의 터보팬을 회전 속도와 유량에 따른 속도 장과 압력장을 비교 분석하였다.

가설 설정

- 팬의 입구 부분에는 입구 경계 조건을 적용하였고 출구 부분에는 대기압 상태로 가정하여 압력 경계 조건을 적용하였다. 임펠러의 회전 효과를 모델링하기 위해서 Multiple rotating reference frame 기능 중의 하나인 Explicit treatment를 사용하였다.
본 연구에서는 STAR-CIe 사용하였으며 팬의 회전속도를 고려하여 정상상태, 압축성 유동으로 가정하였다. 해석은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였고, 난류 모델은 k—e 모델을 적용하였다 팬의 회전 효과는 STAR-CD 내의 Rotating reference frame 기능을 사용하여 계산에 적용하였다.

제안 방법

전체 해석 대상 중에 유량이 적은 범위의 easel과 case?, 유량이 管은 범위의 ease5와 casell 그리고 그 중간 범위인 case3과 case9 등 鄭모델과 380모델의 결과를 비교 및 분석하였다.
해석하였다. 또한 두 가지 모델의 터보팬을 회전 속도와 유량에 따른 속도 장과 압력장을 비교 분석하였다. 그 결과 380모델이 460모델에 비해서 안정된 유동 특성을 보임을 알 수 있었다.
해석 대상은 국내 전자업체의 진공청소기에 사용될 46S모델과 380모델 두 가지이며 각각 회전 속도와 유량 변화에 따른 압력을 계산하여 실험값® 과 비교하였다. 또한 임펠러와 디퓨져 n리고 리턴 채널 내부의 속도장과 임펠러 출구에서의 유동각을 계산하여 팬 내부 유동의 안정성에 대해서도 고찰하였다.
임펠러, 디퓨져 그리고 리턴 채널의 일부분의 계산 영역으로 전체 영역의 계산 효과를 얻기 위해서 회전 방향으로 주기 경계 조건을 사용하였다. Fig.
임펠러의 출구 부분과 디퓨져의 입구 부분에 각각 압력 경계 조건과 입구 경계 조건을 적용하고 이 두 개의 경계 조건을 , Boundary couple, 로 결합하여 계산을 수행하였다. 계산과정에서 임펠러 출구의 속도가 회전 방향으로 평균화되어 디퓨져 입구 조건으로 적용된다.
임펠러의 회전 효과를 모델링하기 위해서 Multiple rotating reference frame 기능 중의 하나인 Explicit treatment를 사용하였다. 회 전하는 부분인 임 펠러와 입구 영역, 그리고 고정되어 있는 디퓨져, 리턴 채널, 출구 영역을 서로 다른 material 영역으로 구분하여 회전하는 material 영역에 회전 속도를 입력하였다. 이러한 방법을 사용함으로써 실제로 격자를 회전시키지 않고도 임펠러의 회전 효과를 계산에 적용할 수 있었다.

대상 데이터

2는 주기 경계 조건을 제외한 460모델의 경계 조건을 나타낸 그림이다. 380 모델역 시 주기조건을 제외하고는 460모델과 동일한 경계 조건을 사용하였다. 본 연구에서 수행한 해석 대상은 Table 2에 나타내었다.
그러나 380 모델의 경우에는 총 열 여섯 개의 리턴 채널 중, 여덟 개의 쌍이 각각 다른 형상이므로 3&)모델의 디퓨져와 리턴 채널은 전체 유로를 계산하였다. 그리고 각각의 모델에 대해서 임펠러의 입구와 리턴채널의 출구에 각각 10 cm 길이의 유체 셀을 덧붙여서 유동의 입구부와 출구 부를 Fig. 1과 같이 모델링하였으며 姒)모델과 380 모델의 전체 격자 수는 각각 약 400, 000개와 889, 000개를 사용하였다.
한다. 해석 대상은 국내 전자업체의 진공청소기에 사용될 46S모델과 380모델 두 가지이며 각각 회전 속도와 유량 변화에 따른 압력을 계산하여 실험값® 과 비교하였다. 또한 임펠러와 디퓨져 n리고 리턴 채널 내부의 속도장과 임펠러 출구에서의 유동각을 계산하여 팬 내부 유동의 안정성에 대해서도 고찰하였다.

데이터처리

본 연구에서 수행한 열 세 가지 해석 대상의 결과를 선행된 실험결과와 비교하였다. Fig.

이론/모형

임펠러와 디퓨져의 블레이드 개수가 각각 다르기 때문에 'Mixing plane approach'를 적용하였다. 임펠러의 출구 부분과 디퓨져의 입구 부분에 각각 압력 경계 조건과 입구 경계 조건을 적용하고 이 두 개의 경계 조건을 , Boundary couple, 로 결합하여 계산을 수행하였다.
임펠러의 회전 효과를 모델링하기 위해서 Multiple rotating reference frame 기능 중의 하나인 Explicit treatment를 사용하였다. 회 전하는 부분인 임 펠러와 입구 영역, 그리고 고정되어 있는 디퓨져, 리턴 채널, 출구 영역을 서로 다른 material 영역으로 구분하여 회전하는 material 영역에 회전 속도를 입력하였다.
해석은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였고, 난류 모델은 k—e 모델을 적용하였다 팬의 회전 효과는 STAR-CD 내의 Rotating reference frame 기능을 사용하여 계산에 적용하였다.

성능/효과

460모델과 380모델 모두 수치해석 결과가 실험 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있다. 대부분 많은 유량에서 오차가 감소하는 경향성을 보이고 있으나 360모델의 경우 유량이 1.
460모델과 380모델 모두 유량이 많은 case5와 casell 이 임펠러 출구에서 비교적 균일한 유동각을 나타냈으나 유량이 적은 easel과 case7의 경우에는 Fig. 7와 같이 축 방향으로는 균일하나 원주방향으로 불균일한 결과를 보였다. 중간 유량인 case3과 case9는 Fig.
또한 두 가지 모델의 터보팬을 회전 속도와 유량에 따른 속도 장과 압력장을 비교 분석하였다. 그 결과 380모델이 460모델에 비해서 안정된 유동 특성을 보임을 알 수 있었다. 그리고 임펠러 출구에서의 유동각을 계산함으로써 임펠러 출구에서의 유동각이 팬의 작동 범위에 따라 원주 방향과 축 방향으로 불균일함을 확인하였다.
그 결과 380모델이 460모델에 비해서 안정된 유동 특성을 보임을 알 수 있었다. 그리고 임펠러 출구에서의 유동각을 계산함으로써 임펠러 출구에서의 유동각이 팬의 작동 범위에 따라 원주 방향과 축 방향으로 불균일함을 확인하였다. 또한 디퓨져와 리턴 채널 사이에서는 유동이 원활하게 통과하는 반면에 리턴 채널의 출구 영역에서는 3차원적 와류가 발생하는 사실을 발견하였다.
5에 나타내었다. 리턴 채널의 일부 유로에서 유동 박리에 의한 실속이 발생함을 확인할 수 있는데 이러한 현상은 리턴 채널의 블레이드 형상이 모두 일정한 噸모델에 비해서 블레이드의 형상이 다른 3&)모델의 결과에서 더욱 확실하게 나타났다. 리턴 채널의 출구에서 발생하는 실속은 임펠러와 디퓨져 내부에서 발생하는 것과 마찬가지로 팬의 효율과 안정성을 저하시키는 원인이 된다.
또한 디퓨져와 리턴 채널 사이에서는 유동이 원활하게 통과하는 반면에 리턴 채널의 출구 영역에서는 3차원적 와류가 발생하는 사실을 발견하였다. 본 연구에서 수행한 수치해석 결과를 실험결과와 비교 분석함으로써 유동 해석의 타당성을 검증할 수 있었다.
전체적인 해석 결과 임펠러 내부의 압력 분포는 임펠러 입구 영역에서 대기압과 0.2기압에서 Q.3기압 정도의 차이를 나타냈다. 임펠러 유로를 지나 임펠러의 출구 영역으로 갈수록 반경 방향으로 압력충을 이루며 압력이 점차적으로 증가한다.
이는 유동이 임펠러 출구를 통과할 때 유량과 회전속도 등 팬의 작동 범위에 따라서 축방향 유동의 불균일성도 중요한 설계 변수로 작용함을 의미한다. 특히 Fig. 7에 나타나듯이 임펠러 출구의 실속면에서 유동각이 음수가 되는 영역이 존재하는데 이 부분에서의 속도 벡터를 확인해본 결과 오히려 유동이 임펠러 출구로 유입되는 현상을 확인할 수 있었다. 이러한 유동 역시 팬의 성능을 저하시키는 요인이 된다.

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