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문제 정의
- 본 논문에서는 선행연구를 통하여 개발된 저소음원심홴(3)에 대하여 원심홴에 최적화 된 입구유로 벨마우스 형상을 개발하고 이를 통한 원심홴의 성능 향상을 기초로 저소음화를 달성하고자 한다. 원심홴의 성능을 분석하기 위해 전산유체역학을 이용한 수치해석을 통해 특정 출구에서의 토출 유량을 예측하고 이를 토대로 여러 형상에 대한 비교 연구를 수행하여 최적 형상을 도출하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 선행연구를 통하여 개발된 저소음원심홴(3)에 대하여 원심홴에 최적화 된 입구유로 벨마우스 형상을 개발하고 이를 통한 원심홴의 성능 향상을 기초로 저소음화를 달성하고자 한다. 원심홴의 성능을 분석하기 위해 전산유체역학을 이용한 수치해석을 통해 특정 출구에서의 토출 유량을 예측하고 이를 토대로 여러 형상에 대한 비교 연구를 수행하여 최적 형상을 도출하였다. 특히 경계조건에 따른 수치해석결과의 오류를 줄이기 위하여 냉장고 내부 유동 전체를 폐쇠유로로 모델링 하였다.
- 입구 벨마우스의 형상에 따른 원심홴의 성능변화에 대하여 수치적으로 분석해 보았다. 입구면적, 팁 간격, 역류방지 구조물, 가이드 등을 이용하여 유량이 더 증가될 수 있는 입구 벨마우스 형상을 확인하였다.
- 입구 벨마우스의 형상에 따른 원심홴의 성능변화에 대하여 수치적으로 분석해 보았다. 입구면적, 팁 간격, 역류방지 구조물, 가이드 등을 이용하여 유량이 더 증가될 수 있는 입구 벨마우스 형상을 확인하였다. 입구 면적의 경우 면적이 줄어들면 그만큼 흡입능력이 떨어져 유량이 줄어들었고, 반대로 면적이 넓어지면 유량이 증가하였다.
- 전체 계산 영역은 일정한 속도로 회전하는 원심홴을 포함한 이동하는 격자와 냉장고 내부 형상 및 전체적인 냉장고의 케이스로 설정하였다. 해석에 사용된 총 격자의 수는 약 1,700만개이다.
- 원심홴의 성능을 분석하기 위해 전산유체역학을 이용한 수치해석을 통해 특정 출구에서의 토출 유량을 예측하고 이를 토대로 여러 형상에 대한 비교 연구를 수행하여 최적 형상을 도출하였다. 특히 경계조건에 따른 수치해석결과의 오류를 줄이기 위하여 냉장고 내부 유동 전체를 폐쇠유로로 모델링 하였다.
대상 데이터
- 본 논문의 주요 연구 대상인 입구 벨마우스 형상과 원심홴을 Fig.1, Fig.2, Fig3 에 차례대로 나타내었다. 벨마우스의 안쪽 반경(r1)과 바깥쪽 반경(r2) 은 6.
- 해석에 사용된 총 격자의 수는 약 1,700만개이다. 원심홴을포함한 회전하는 유체에는 약480만개, 그 외 유체에는 약 900만개를 사용하였다. 격자 생성은 상용 격자 생성 프로그램인 ANSYS ICEM CFD를 사용하였다.
- 이 중 비교적 계산 시간을 적게 소모하고 정상상태의 해를 얻을 수 있는 MRF 기법을 이용해 수치해석을 수행하였다. 원심홴의 성능을 비교하기 위해 입구 및 출구에서의 유량을 비교 대상으로 설정하였다. 수치해석에는 상용 해석 프로그램인 ANSYS Fluent(Version 12.
- 전체 계산 영역은 일정한 속도로 회전하는 원심홴을 포함한 이동하는 격자와 냉장고 내부 형상 및 전체적인 냉장고의 케이스로 설정하였다. 해석에 사용된 총 격자의 수는 약 1,700만개이다. 원심홴을포함한 회전하는 유체에는 약480만개, 그 외 유체에는 약 900만개를 사용하였다.
데이터처리
- 원심홴의 성능을 비교하기 위해 입구 및 출구에서의 유량을 비교 대상으로 설정하였다. 수치해석에는 상용 해석 프로그램인 ANSYS Fluent(Version 12.1)을 사용하였다.
이론/모형
- 원심홴을포함한 회전하는 유체에는 약480만개, 그 외 유체에는 약 900만개를 사용하였다. 격자 생성은 상용 격자 생성 프로그램인 ANSYS ICEM CFD를 사용하였다. Fig.
- 전산유체역학을 이용해 움직이는 유체와 정지해 있는 유체 사이의 운동을 해석하기 위해서는 Sliding mesh 기법, 또는 MRF(Multiple Reference Frame) 기법을 사용하여야 한다. 이 중 비교적 계산 시간을 적게 소모하고 정상상태의 해를 얻을 수 있는 MRF 기법을 이용해 수치해석을 수행하였다. 원심홴의 성능을 비교하기 위해 입구 및 출구에서의 유량을 비교 대상으로 설정하였다.
- 전산유체역학을 이용해 움직이는 유체와 정지해 있는 유체 사이의 운동을 해석하기 위해서는 Sliding mesh 기법, 또는 MRF(Multiple Reference Frame) 기법을 사용하여야 한다. 이 중 비교적 계산 시간을 적게 소모하고 정상상태의 해를 얻을 수 있는 MRF 기법을 이용해 수치해석을 수행하였다.
성능/효과
- MODEL_A와 MODEL_B 모두에서 유량이 증가된 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 MODEL_A에서 4.
- 8에 나타내었다. 가이드 형상을 통해 기존의 벨마우스 형상에서는 유동이 거의 나타나지 않았던 모터 지지 구조물 근처에서도 유동흐름이 발생함을 확인할 수 있다. GUIDE_L의 경우 9시 방향에 있는 모터지지 구조물로 인한 유량 손실을 보완할 수 있고 GUIDE_R은 벨마우스를 따라 들어오는 유동의 방향을 모터지지 구조물이 없을 경우와 비슷하게 만들어 주는 효과가 있었다.
- GUIDE_L의 경우 9시 방향에 있는 모터지지 구조물로 인한 유량 손실을 보완할 수 있고 GUIDE_R은 벨마우스를 따라 들어오는 유동의 방향을 모터지지 구조물이 없을 경우와 비슷하게 만들어 주는 효과가 있었다. 결과적으로 GUIDE_L과 GUIDE_R을 같이 사용한 GUIDE_R_L 모델에서 약 4.87%의 추가적인 유량증가를 나타내었다. 하지만 이러한 가이드 형상은 특별한 유로 구조에 맞게 설계된 것이기 때문에 유로가 변하게 되면 새로운 설계를 해야 하는 어려움이 있다.
- 증가한 유량을 이용하여 역으로 rpm을 낮춰 동일한 유량이 나오면서도 소음이 저감되는 효과를 기대할 수 있었다. R2를 52mm로 늘인 형상과 MODEL_B에서 1dB이상의 소음저감이 예상된다.
후속연구
- Wood 등은(4) 원심 압축기의 경우 팁간격이 최소일 경우 최대의 효율을 얻을 수 있다고 보고한 바 있지만 많은 다른 연구자들(5-8)의 결과들에서는 본 연구결과와 같이 팁간격과 유량사이에 단순히 선형적 관계를 보이는 것은 아닌 것으로 보고 하고 있다. 이 결과를 바탕으로 벨마우스 형상에 따른 최적화된 팁간격에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
- 85%라는 결과를 얻을 수있었다. 하지만 MODEL_A의 경우를 볼 때, MODEL_B에서도 각 설계요소간의 영향에 대한 최적화는 아직 덜 이루어져 있다고 생각할 수 있고, 이러한 설계요소간의 영향이 독립적이지 않은 경우에 어떻게 설계요소간의 최적화를 이룰 수 있는지에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.
- R2를 52mm로 늘인 형상과 MODEL_B에서 1dB이상의 소음저감이 예상된다. 하지만, 설계요소간의 영향이 서로 독립적이지 않기 때문에 이에 대한 충분한 연구가 이루어진다면 더욱 향상된 성능을 얻을 수 있으리라 생각된다.
- Resonator type의 내부 구조물의 경우 원심홴의 rpm에 따른 형상의 최적화를 수행할 경우 소음개선효과를 얻을수 있을 것이라 판단된다. 향후 샘플제작과 실제 실험을 통해 이 부분에 대한 자세한 검증이 필요하다.
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