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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현재 시판되는 렌지후드의 팬과 하우징 주위의 유동을 전산해석 상용코드인 SC/Tetra를 이용하여 비정상 3차원해석을 수행하고 얻어진 데이터를 바탕으로 흡입성능향상을 위한 개선방향을 제시해보고자 한다.
제안 방법
- 1000rpm으로 회전하는 시로코 팬은 마하수(Mach Number)가 0.3보다 작기 때문에 비압축성으로 계산하였다. 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 지배방정식으로 사용하였으며, 직교 좌표계에서 텐서 형태로 표기하면 다음과 같다.
- 특히 회전하는 영역에는 계산의 정확도를 높이기 위해 충분한 수의 격자가 요구된다. 본 연구에서는 SC/Tetra의 Pre-Process의 격자생성 기능을 이용하여 회전하는 영역에 대해서는 약 100만개의 격자를 집중시켰으며, 비회전 영역에는 약 20만개의 격자를 생성 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 상용코드인 SC/Tetra를 이용하여 렌지후드용 시로코 팬 주위의 유동해석을 수행하였다. 또한 하우징의 형상변경을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 커트오프 간격을 0.19D2에서 0.08D2로 하였다. 이는 하우징의 와류실 제원을 결정하기 위해 아르키 메데스 나선을 적용하였으며 이에 따른 제작 가능한 크기를 고려하여 볼 때 식(9)에 가장 근접한 커트오프 간격이라 판단 되기 때문이다.
- 시로코 팬의 성능과 소음을 측정하기 위해 무향실에 Fig. 2와 같이 실험장치를 구성하였으며 정압에 따른 유량, 회전수, 전류 및 전력을 측정하였다. 본 연구에서의 실험은 4단 정압 모터를 사용하였으며 실제 사용 환경과 비슷한 조건에서의 해석을 위해 직경 ∅156.
- 이러한 이유로 본 연구에서는 아르키메데스 나선을 적용하였으며 하우징 최대 크기 및 제작 가능성을 고려하여 상수 m값은 8로 결정하였으며 Θ에 따른 r의 제원을 Table 2에 수록하였다.
- 1) 실험결과와 비교하여 회전수에 따른 흡입유량의 경향이 잘 일치함을 알 수 있었다. 이로 인하여 전산해석의 신뢰성을 확보하였다.
- 하지만 정성적으로 결과가 잘 일치함을 확인하였으며 특히 고속일 경우 매우 근사한 차이를 나타내고 있음을 확인하였다. 즉 본 계산 결과가 실제 시로코 팬의 성능을 잘 예측함을 알 수 있 으며, 이를 통하여 전산해석의 신뢰성을 확보하였다.
- 식(3),(4)는 SST k- ω방정식을 나타낸다. 풀고자 하는 변수는 압력, 각 방향의 속도, 난류의 정도이므로 위의 식들에 적합한 계수를 사용하여 계산을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서의 실험은 4단 정압 모터를 사용하였으며 실제 사용 환경과 비슷한 조건에서의 해석을 위해 직경 ∅156.6 ㎜, 길이 2600 ㎜의 풍동관에 정압 조건을 부여하며 실행되었다.
이론/모형
- 다좌표계법은 정상상태의 가정으로 유동장을 해석하는 방법인데 반해 이동격자법은 비정상 유동으로 가정하여 회전 영역과 비회전 영역으로 분류하여 해석하는 방법으로 실제문제와 가장 유사한 조건으로 해석할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 이유로 비정상상태 이동격자법을 사용하였으며 압력보정방법으로는 SIMPLEC 알고리즘을 사용하였다.
- 3보다 작기 때문에 비압축성으로 계산하였다. 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 지배방정식으로 사용하였으며, 직교 좌표계에서 텐서 형태로 표기하면 다음과 같다.
- 이러한 이유로 본 연구에서는 SST(Shear-StressTransport) k- ω모델을 사용하였다.
성능/효과
- 12(a)와 같이 Θ = 360°인 지점에서 출구방향으로 5도 정도의 안내각이 존재하는 것보다 출구방향으로 Fig. 12(b)와 같이 직선 형태로 공기를 배출하는 형태가 더 많은 출구면적을 확보할 수 있으며 흡입효율 또한 약 8%의 흡입효율 상승을 얻을 수 있었다. Fig.
- 1) 실험결과와 비교하여 회전수에 따른 흡입유량의 경향이 잘 일치함을 알 수 있었다. 이로 인하여 전산해석의 신뢰성을 확보하였다.
- 2) 실험을 통해 유량계수와 압력계수를 구한 결과, 시로코 팬에 정압이 낮게 걸릴수록 효율이 높다는 것을 확인할수 있었다.
- 3) 커트오프 간격을 기존 0.19D2에서 0.08D2로 변경한 결과 블레이드 익간 유동에서 2차유동이 줄어듦을 확인하였으며, 소음과 유량에 관한 성능이 향상됨을 예측할 수 있었다.
- 4) 하우징 와류실의 제원을 결정하는데 있어 아르키메데스 나선을 적용함으로써 약 8~10%의 흡입효율 향상을 얻을 수 있었다.
- 5) Θ = 360°인 지점에서 출구방향으로 5도 정도의 안내 각이 존재하는 것보다 출구방향으로 직선 형태로 공기를 배출하는 형태가 더 많은 출구면적을 확보할 수 있으며 흡입효율 또한 약 8%의 흡입효율 상승을 얻을 수있었다.
- 2㎜로 설계변경을 하여 그에 따른 영향을 살펴보 았다. 그 결과 Fig. 11과 같이 기존모델에 비해 압력손실이 줄어듦을 확인하였으며, 이로 인한 흡입유량도 0.6%향상되었음을 알 수 있었다.
- 또한 Table 2에 의해 와류실의 곡률을 변경하였다. 기존 하우징의 크기에 비해 약 4.4%정도 증가하였으며, 출구면적의 확보와 아르키메데스 나선에 의한 효율증가로 인하여 흡입효율이 10.7% 향상됨을 확인할 수 있었다.
- 기존 하우징의 크기와 비교하기 위해 상수 m값을 7로 하여 전산해석을 수행하였을 경우 기존에 비해 크기는 1.6% 정도 감소하였음에도 흡입효율은 약 8.3%정도 향상됨을 확인하였다. 이로써 아르키메데스 나선이 하우징의 와류실을 결정하는데 있어 중요한 기초 자료가 된다고 판단된다.
- 는 와선시점의 지름이고, Θ는 각도, m, n은 상수이다. 두 가지 와류실에 동일한 회전차를 붙여서 특성 곡선을 실험으로 구한 결과[13]에 의하면 최대 풍량과 최고 효율점에서의 풍량은 아르키메데스 나선 쪽이 크다는 것을 알수 있으며, 풍압과 효율 또한 아르키메데스 나선 쪽이 전 풍량에 걸쳐 균일함을 알 수 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 아르키메데스 나선을 적용하였으며 하우징 최대 크기 및 제작 가능성을 고려하여 상수 m값은 8로 결정하였으며 Θ에 따른 r의 제원을 Table 2에 수록하였다.
- 4에는 시로코 팬을 실험장치에 설치한 후 고속-저속의 평균 사용전력에 따른 정압-풍량 곡선을 나타낸 그림이다. 모든 영역에서 최소 정압이 작용할 때 최대 풍량이 토출됨을 확인하였다.
- 이는 실험에서의 측정오차와 난류모델 및 대류항 처리 기법 등에 의한 수치해석 상의 오차가 이에 포함된다. 하지만 정성적으로 결과가 잘 일치함을 확인하였으며 특히 고속일 경우 매우 근사한 차이를 나타내고 있음을 확인하였다. 즉 본 계산 결과가 실제 시로코 팬의 성능을 잘 예측함을 알 수 있 으며, 이를 통하여 전산해석의 신뢰성을 확보하였다.
후속연구
- 6) 향후 시로코 팬의 임펠러 형상과 개수 그리고 하우징의 형상변경을 통한 성능개선이 다각도로 이루어져야 할 것이다.
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