[논문]가정용 산소발생기를 위한 스월링 유동을 이용한 고성능 흡기 소음기 개발

김성훈; 이광세; 최용복; 정철웅

가정용 산소발생기를 위한 스월링 유동을 이용한 고성능 흡기 소음기 개발
Development of high performance intake silencer using swirling flow for household oxygen generators 원문보기

김성훈 (주식회사 엔에프) , 이광세 , 최용복 , 정철웅

Intake silencers of high performance and with less pressure drop are developed for a household oxygen generator. First, the acoustic power of the target oxygen generator are experimentally evaluated according to ISO code. Then, the transmission loss of and the flow characteristics inside the existing intake silencer are predicted and analyzed. On a basis of these results, two intake silencers are proposed, which are designed to induce the swirling flow inside the intake silencer and thus to reduce the flow loss. The predicted TL and the pressure drop for these two new silencers are compared to the existing one, which shows that the proposed ones have higher TLs as well as less pressure drop. The reason for these improvements are explained by investigating the flow characteristics of the new silencers in detail.

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문제 정의

이에 근거하여 소음기 형상에 따른 직접적인 소음저감은 3 kHz이하의 영역대에서 주요함을 추측할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 헤파필터를 제외한 소음기 성능개선에 초점을 두고, 3 kHz 이하 영역대에서의 삽입 또는 투과 손실 개선을 목표로 하였다.
본 논문에서는 산소발생기의 저소음화 기술개발의 일환으로 기존 흡입 소음기를 개선하였다. 대상 산소발생기는 압축기를 비롯한 내부 유동 소음원이 흡입로를 통해 소음이 외부로 전파하고, 소음기를 통해 이를 저감하고 있다.
본 연구에서는 산소발생기에 설치된 기존 소음기 내부의 유동 특성을 분석하고 이를 개선하여, 기존의 유동손실을 저감하는 동시에 소음기의 성능을 향상하였다. 세부적인 방사소음 분석은 2.

가설 설정

3차원 비압축성 정상상태 유동을 가정하였고 난류모델은 k-ωSST를 사용하였다.

제안 방법

새롭게 제시한 소음기의 성능을 실험적으로 확인 하기 위하여 시제품을 제작하였다. 2.1절에서 기술한 실험방법을 통하여 시제품의 소음 특성을 평가하였다. Figure 14은 3 kHz이하의 영역에서의 측정한 1/3옥타브밴드이다.
2절에 설명하였다. 각 분석에 근거하여 기존 소음기의 흡입 유로를 개선하였고, 그에 관련한 특성은 3절에서 실험과 수치해석을 통하여 분석하였다. 끝으로 4절에서, 시제품을 만들어 흡입유로 개선에 따른 소음기의 성능 향상을 실험적으로 확인하였다.
내부 유동 분석은 정상상태(steady state) 해석을 바탕으로 수행하였다. Figure 6는 기존 소음기 내 유동의 유적선(path-line)을 나타내고 있다.
산소발생기 흡기시스템 소음기 내부의 유동해석을 바탕으로 소음기 성능향상을 위한 흡입유로 개선을 수행하였다. 최단강하곡선인 사이클로이드 형태의 흡입유로 적용, 2차 흐름 개선을 위한 흡입유로 각도 변경 그리고 내부 유동 충돌 저감을 위한 접선방향으로의 흡입유로 이동을 통해 흡입유로를 설계 하였다.
새롭게 제시한 소음기의 성능을 실험적으로 확인 하기 위하여 시제품을 제작하였다. 2.
산소발생기 흡기시스템 소음기 내부의 유동해석을 바탕으로 소음기 성능향상을 위한 흡입유로 개선을 수행하였다. 최단강하곡선인 사이클로이드 형태의 흡입유로 적용, 2차 흐름 개선을 위한 흡입유로 각도 변경 그리고 내부 유동 충돌 저감을 위한 접선방향으로의 흡입유로 이동을 통해 흡입유로를 설계 하였다. 개발한 흡입유로는 기존 형상이 가지는 내부 스월링 유동을 개선하였고, 그 결과 사극자 소음 원에 대응하는 난류에너지를 저하시켰다.
흡입유로의 각도 제어와 접선 방향의 이동 그리고 사이클로이드 유로 설계를 통하여 소음기 내 유동 개선을 정량적으로 평가하기 위하여 압력 강하를 계산하였고(5) 그 결과를 Table 2에서 제시하였다. 미세하지만 'case30' 모델이 가장 낮은 압력강하를 나타냄을 확인할 수 있다.
흡입유로를 방향을 소음기원형단면의 접선방향으로 이동하였다. 흡입유로의 각도 조절과 접선방향으로의 이동 시 유로 형상은 사이클로이드 형상을 기본으로 하였다. 각 경우는 아래에서 ’case30’과 ‘case45’로 명명하였다.

대상 데이터

측정 시 주파수 해상도(Δf)는 1 Hz이며, 관심 주파수는 20~6400 Hz이다. 실험조건은 기존 소음기 탈-부착 조건과 소음기 부착 시 내부 헤파필터의 설치 유무이다. Figure 3은 기존 소음기 탈부착 시 방사소음의 스펙트럼 특성을 비교하였다.

이론/모형

TL은 ‘Three point method(이하 TPM) (7)’를 이용하여 계산하였다.
기존 소음기 내부 유동의 특성을 분석하기 위하여 상용 CFD 해석프로그램인 ‘Fluent’(4)를 이용하였다.

성능/효과

최단강하곡선인 사이클로이드 형태의 흡입유로 적용, 2차 흐름 개선을 위한 흡입유로 각도 변경 그리고 내부 유동 충돌 저감을 위한 접선방향으로의 흡입유로 이동을 통해 흡입유로를 설계 하였다. 개발한 흡입유로는 기존 형상이 가지는 내부 스월링 유동을 개선하였고, 그 결과 사극자 소음 원에 대응하는 난류에너지를 저하시켰다. 흡입유로의 각도를 30도 기울인 경우, 수치적으로 동등한 압력강하를 확인하였고 실험적으로 우수한 소음저감 성능을 확인하였다(기존 형상 대비 1.
각 분석에 근거하여 기존 소음기의 흡입 유로를 개선하였고, 그에 관련한 특성은 3절에서 실험과 수치해석을 통하여 분석하였다. 끝으로 4절에서, 시제품을 만들어 흡입유로 개선에 따른 소음기의 성능 향상을 실험적으로 확인하였다.
Figure 9에서 두 가지 제시한 모델에 대하여 유동 해석한 결과를 제시하고 있다. 두 유로 각도에 대응하는 유적선이 유동 주방향으로 형성되었고, 흡입구단 위에 형성된 2차 흐름이 감소하였다는 것을 확인할 수 있다. 이 두 가지 모델은 흡입유로를 보다 소음기 접선 방향에 위치 시켜, 흡입유로를 떠난 유동과 소음기 내부벽면 사이의 충돌을 완화 하였다.
전 관심 주파수 영역에서, 소음기를 부착하였을 때 방사소음을 저감시키는 것을 확인할 수 있다. 또한 28Hz 를 기본주파수로 하는 순음소음이 방사소음에 주요한 성분으로 작용함을 확인할 수 있다. Figure 4은 소음기 내 헤파필터 유무에 따른 방사소음의 스펙트럼 특성이다.
정경훈⁽¹⁾등은 소음기 최적화 설계를 통한 각 설계요소들의 성능에 대한 영향을 분석하였다. 주재만⁽²⁾은 소음기의 방사특성을 예측하고 실험으로 분석하였으며, 소음기 내 유동특성이 소음기의 성능에 관여한다는 것을 실험과 해석으로 확인하였다. 서영수⁽³⁾는 유속을 고려한 소음기의 음향해석프로그램을 개발하고 유속에 대한 소음기의 공진주파수와 투과손실의 변화를 연구하였다.
개발한 흡입유로는 기존 형상이 가지는 내부 스월링 유동을 개선하였고, 그 결과 사극자 소음 원에 대응하는 난류에너지를 저하시켰다. 흡입유로의 각도를 30도 기울인 경우, 수치적으로 동등한 압력강하를 확인하였고 실험적으로 우수한 소음저감 성능을 확인하였다(기존 형상 대비 1.7 dB 감소).

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

흡입기 시스템 내부에 공기 정화를 위해 장착한 것은 무엇인가?

흡입기 시스템에 적용한 기존 소음기는 팽창형 소음기(expansion silencer)이고 내부에 공기 정화를 위한 원형 헤파필터가 장착되어 있다. 연구 대상 흡입기 시스템의 방사소음 특성과 소음기의 삽입손실 특성 분석을 위해 Figure 2 과 같이 반무향실에서 방사소음을 측정하였다.

유동해석을 통해 유동흐름 개선을 위한 방법으로 무엇이 있는가?

1) 흡입구 각도 조절을 통한 유적선 제어에 근거한 2차 흐름 최소화 2) 입구 덕트의 소음기 단면형상의 접선방향 이동을 통해 내부 집중 표면 압력장을 분산시켜 유동에너지 손실 최소화. 3) 사이클로이드(cycloid) 곡선을 접목한 흡입 유로 개선

산소발생기는 용도에 따라 크게 어떻게 분류할 수 있는가?

산소발생기는 온도유지나 환기를 위한 공조시스템의 한 종류로 용도에 따라 크게 산업용, 수산용, 의료용, 가정용으로 분류할 수 있다. 기존에 생산되는 제품의 대부분은 수산용, 의료용 그리고 산업용으로 사용되며, 최근 새로운 시장 개척을 위하여 가정용 산소발생기 보급을 시도하고 있다.

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