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제안 방법
- 원심팬의 성능과 소음에 영향을 미치는 인자는 팬의 외경, 팬의 폭, 깃의 입출구각, 현길이와 깃의 개수등이 있다. 그러나, 얼터네이터 냉각팬의 경우 팬의 외경과 폭이 한정되어 있으므로 본 연구에서는 깃의 입출구각, 현길이와 깃의 개수를 주요인자로 선정하였다. 최적화 방법으로는 통계적 방법중 DFSS(Design for Six Sigma)에서 자주 사용되는 실험계획(DOE)을 이용하였다.
- 얼터네이터의 운전영역은 18000RPM 의 고속에까지 이르므로 해석 격자의 크기가 상당히 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 기본적으로 팬 유동 영역에는 0.75mm의 아주 세밀한 격자를 구성하였으며, 로터와 스테이터 사이의 얇은 공간도 발산의 가능성이 크므로 프리즘 층의 두께를 0.04mm까지로 낮추어 상당히 조밀한 격자를 구성하였다. 이렇게 구성된 격자계는 셀의 개수로는 약 2000만개에 이른다.
- CAA(Computational Acoustic Analogy)방법은 FW-H방정식, Lowson방정식과 Curle방정식과 같이 Lighthill방정식의 non homogeneous solution을 이산화하여 생성항을 적용하여 소음을 예측하는 방법이다[3-5]. 본 연구에서는 생성항에 CFD 해석 결과를 적용하여 이극자 소음을 예측하는 방법을 적용하였다[6-9].
- 2는 원심팬의 평면도로서 주요 설계 인자를 나타내었다. 본 연구에서는 팬의 외경과 폭이 정해져 있기 때문에 주요 설계인자로 입구각, 출구각, 현길이와 깃의 개수를 선정하였다[10].
- 최적화 방법으로는 통계적 방법중 DFSS(Design for Six Sigma)에서 자주 사용되는 실험계획(DOE)을 이용하였다. 얼터네이터 냉각팬의 설계 인자가 4개이므로 4인자 3수준의 DOE표에 따라서 인자를 배열하여 9개의 냉각팬을 설계하며 이에 대해 각각 비정상 전산유동해석과 전산소음상사해석을 하였다. 전산유동해석은 범용 상용 소프트웨어인 SC/Tetra를 이용하였다.
- 얼터네이터의 원심팬에 대해서 정확한 전산유동해석을 위해서 Fig. 1에서 보여준 얼터네이터의 자세한 부분들에 대한 설계도면 정보를 해석 격자로 변환하였다. Fig.
- 계산 영역의 경계조건으로서는 압력조건을 주었다. 원심팬의 경계조건으로서는 회전속도만을 주었는데, 시험조건인 3000RPM, 10000RPM 과 18000RPM 에 대해서 해석하였다. 원심팬의 비정상 해석은 슬라이딩 메쉬 방법(sliding mesh scheme)을 이용하였는데, 이때, 비정상 해석은 1회전에 240 싸이클을 계산하였다.
- 위와 같이 설계된 9개의 원심팬에 대해서 설계 기준인 10000 RPM 에서의 유량과 소음을 해석하였다. 그 결과 다음의 Fig.
- Fan 2는 발전 코일과 로터를 냉각시키기 위한 팬이며, Fan 1은 전기 발전 제어용 전장부품을 냉각시키기 위한 목적으로 설치되어 있다. 이와 같이 일반적으로 얼터네이터는 2개의 냉각팬을 갖고 있는데, 본 연구에서는 후자의 전장 부품 냉각팬을 개발하였다. 이러한 얼터네이터 내부의 특이한 점은 로터와 스테이터 사이의 거리가 0.
- 첫번째 DOE 를 실행하여 유량은 동등 수준에 소음은 3 dBA 정도가 감소했지만 보다 더 좋은 결과를 얻기 위해서 깃의 개수가 증가할수록 유동과 소음이 개선되는 다구치 분석 결과에 따라서 깃의 개수를 16 개로 늘리고 톤소음을 줄이기 위해서 깃의 부등 간격 배열을 적용하여 최적팬을 설계하였다. 최적팬의 유동과 소음 해석 결과는 Fig.
- 해석 방법의 타당성과 정확도를 검증하기 위해서 현재 양산되고 있는 팬에 대해서 해석하였다. 비정상 해석시에 주기적인 수렴에 이르기 까지 약 4 회전 정도가 소요되었으며, 5회전째에서 소음 해석을 위한 표면압력데이터를 저장하였다.
대상 데이터
- 그러나, 실제의 팬은 3차원 형상으로 깃을 통과하는 유동은 회전하며 또한 치우쳐져 나가므로 이론적인 값과는 차이가 있다. 따라서, 이론적으로 계산한 입출구각의 전후로 선정하였다. 현길이의 경우는 입구 직경과 교효 작용이 있으므로 이를 고려하여 선정하였다.
- 따라서, 입구각의 범위는 25˚~30˚, 출구각은 50˚~60˚, 깃의 개수는 8, 10, 13 그리고 현길이는 14.5mm ~ 21.5mm로 선정하였으며 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 원심팬의 3차원 비정상 유동해석은 상용 전산유체해석 프로그램인 SC/Tetra를 이용하였다. SC/Tetra는 Node based Finite Volume Method를 이용하여 Navier-Stokes방정식을 비정렬 격자계에서 해석할 수 있으며 테트라뿐만 아니라 프리즘과 피라미드와 헥사 형상의 격자까지 계산할 수 있다.
이론/모형
- 원심팬의 3차원 비정상 유동해석은 상용 전산유체해석 프로그램인 SC/Tetra를 이용하였다. SC/Tetra는 Node based Finite Volume Method를 이용하여 Navier-Stokes방정식을 비정렬 격자계에서 해석할 수 있으며 테트라뿐만 아니라 프리즘과 피라미드와 헥사 형상의 격자까지 계산할 수 있다. 이러한 원심팬의 비정상 해석은 슬라이딩 메쉬 방법을 이용하여 계산하였으며 난류 모델로는 RNG k-ε 모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 CFD 해석 방법과 CAA 연성 해석 방법을 수치적 방법으로 이용하고 최적 설계방법으로는 DFSS 방법 중 하나인 L9 DOE 방법을 이용하여 팬 설계를 수행하였다. 설계 결과로 현 양산 모델보다 유량 약 3 % 향상과 소음 4 dBA 저감된 팬을 설계하였으며 검증을 위하여 목업을 제작하여 시험 측정한 결과, 동일 풍량에서 소음이 약 4 dBA 감소하여 개발된 결과가 잘 예측된 결과임을 확인하였다.
- 원심팬의 비정상 유동 해석을 위한 수학적 모델로서는 RNG k-ε 난류 모델과 함께 로그 벽함수가 사용되었으며, 압력항 보정을 위해서는 SIMPLEC 그리고 대류항 차분법으로는 2차 정도의 MUSCL 방법이 사용되었다.
- 원심팬의 경계조건으로서는 회전속도만을 주었는데, 시험조건인 3000RPM, 10000RPM 과 18000RPM 에 대해서 해석하였다. 원심팬의 비정상 해석은 슬라이딩 메쉬 방법(sliding mesh scheme)을 이용하였는데, 이때, 비정상 해석은 1회전에 240 싸이클을 계산하였다. 회전속도가 10000RPM 인 경우 시간 간격은 0.
- 이러한 원심팬의 비정상 해석은 슬라이딩 메쉬 방법을 이용하여 계산하였으며 난류 모델로는 RNG k-ε 모델을 사용하였다.
- 얼터네이터 냉각팬의 설계 인자가 4개이므로 4인자 3수준의 DOE표에 따라서 인자를 배열하여 9개의 냉각팬을 설계하며 이에 대해 각각 비정상 전산유동해석과 전산소음상사해석을 하였다. 전산유동해석은 범용 상용 소프트웨어인 SC/Tetra를 이용하였다.
- 그러나, 얼터네이터 냉각팬의 경우 팬의 외경과 폭이 한정되어 있으므로 본 연구에서는 깃의 입출구각, 현길이와 깃의 개수를 주요인자로 선정하였다. 최적화 방법으로는 통계적 방법중 DFSS(Design for Six Sigma)에서 자주 사용되는 실험계획(DOE)을 이용하였다. 얼터네이터 냉각팬의 설계 인자가 4개이므로 4인자 3수준의 DOE표에 따라서 인자를 배열하여 9개의 냉각팬을 설계하며 이에 대해 각각 비정상 전산유동해석과 전산소음상사해석을 하였다.
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