초록 ▼

본 과제에서는 열전달/유동/음향 특성을 고려하여 머플러를 최적 설계하는 기법을 제시하고, 실험을 통해 제시한 설계 기법의 유효성을 확인하였습니다. 온도 구배와 유동이 존재하는 머플러에 대한 열전달/유동/음향 해석을 수행하고, 머플러내의 최적 격벽 위치를 설정하기 위한 위상/형상 최적 설계 문제를 정식화하였습니다. 이렇게 여러 물리 현상을 동시에 고려하여 음향 시스템을 설계하는 방법론은 본 연구 이전에는 제시되지 않았습니다. 본 연구에서는 순차적으로 다중 물리 해석과 설계를 수행하고 적절한 실험 기법을 사용하여 최적 설계된 머플러와

본 과제에서는 열전달/유동/음향 특성을 고려하여 머플러를 최적 설계하는 기법을 제시하고, 실험을 통해 제시한 설계 기법의 유효성을 확인하였습니다. 온도 구배와 유동이 존재하는 머플러에 대한 열전달/유동/음향 해석을 수행하고, 머플러내의 최적 격벽 위치를 설정하기 위한 위상/형상 최적 설계 문제를 정식화하였습니다. 이렇게 여러 물리 현상을 동시에 고려하여 음향 시스템을 설계하는 방법론은 본 연구 이전에는 제시되지 않았습니다. 본 연구에서는 순차적으로 다중 물리 해석과 설계를 수행하고 적절한 실험 기법을 사용하여 최적 설계된 머플러와 제작된 머플러의 상관성을 살펴보았습니다. 1 차년도에는 열전달과 음향 특성만 고려하였고, 2 차년도에는 유동와 음향 특성만 고려하였으며, 3 차년도에는 열전달, 유동, 음향 특성을 모두 고려한 해석과 최적 설계를 수행하였습니다. 음향 특성은 머플러의 투과 손실로, 열전달 특성은 출구부의 온도로, 유동 특성은 입구와 출구의 압력차로 설정하여 연구를 수행하였습니다.
1 차년도에는 불균일한 온도 분포가 존재하는 머플러의 투과 손실을 계산하는 방법을 제안한 후, 머플러 내부를 최적 설계하기 위한 위상/형상 최적화 문제를 정식화하고 최적해를 도출하였습니다. 온도 분포에 따른 음향 물성치(밀도와 벌크 모듈러스)값을 사용하여 투과 손실을 계산하였습니다. 목표 주파수에서의 투과 손실 값은 목표값 이상이 되고, 격벽의 부피는 허용하는 값 이하가 되도록 하면서, 머플러 출구 온도를 최대화하는 위상 최적 설계 문제 정식화 하였습니다. 위상 최적 설계 결과를 기반으로 형상 최적 설계의 초기 형상을 설정하여, 투과 손실 값을 최대화하는 머플러 내부 형상을 얻었습니다. 결과적으로 머플러 내부의 온도를 고려하면서, 목표 주파수에서 소음 저감 성능이 커지고 제작 가능한 머플러를 설계할 수 있었습니다.
2 차년도에서는 머플러 내의 유동을 고려한 투과 손실을 최대화하는 머플러 설계 문제를 정식화하고 실험적으로 설계 정식화의 유효성을 검증하였습니다. 이를 위해, 보간된 비투과성 물질과 음향 물성치들을 사용하여 목표 주파수에서 머플러 투과 손실 값을 계산하였습니다. 머플러 내부 격벽의 부피를 설계 목적 함수로 설정하고, 목표 주파수에서의 높은 투과 손실 값과 낮은 압력 강하를 가지는 위상 최적 설계 문제를 정식화하였습니다. 얻어진 최적 위상으로부터 형상 최적 설계의 초기 형상을 선정하여, 투과 손실을 최대화하면서 가능한 낮은 압력강하를 가지는 머플러 내부 형상을 설계하는 문제를 정식화 하였습니다. 최적 설계된 결과를 반영한 아크릴 머플러로 제작하여, 투과 손실 및 압력 강하를 측정하는 실험을 수행하였습니다. 간단한 내부 구조로 작은 압력 강하를 가지면서 소음 성능이 개선된 머플러를 설계할 수 있었습니다.
3 차년도에서는 온도 구배와 유동을 함께 고려한 소음 저감 특성을 개선하는 머플러 최적 설계 문제를 정식화하고 설계된 머플러에 대한 열전달/유동/음향 실험을 수행하였습니다. 먼저 음향, 열, 유동을 모두 고려하는 다중 물리 해석을 수행하여 투과 손실, 온도 구배, 압력 강하를 모두 구하였습니다. 이 다중 물리 해석에서 서로 주로 받는 영향을 고려하여 위상/형상 최적화를 수행하였습니다. 위상 최적화 문제에서는 격벽 부피와 온도 구배를 함께 최소화하면서, 목표 주파수에서 투과 손실은 목표값 이상으로, 압력 강하는 허용하는 값 이하로 되는 내부 구조를 얻을 수 있도록 정식화 하였습니다. 얻어진 최적 위상을 초기 형상으로 하고, 투과 손실을 최대화 하면서 일정 값 이하의 압력 강하를 가지는 머플러 형상 최적 설계 문제를 정식화 하였습니다. 형상 최적 설계 결과를 이용하여 아크릴 머플러를 제작한 후 정립한 설계 기법의 유효성을 실험으로 검증하였습니다. 작은 온도 구배와 압력 강하를 가지면서 동시에 높은 소음 저감 성능을 가지는 머플러를 설계할 수 있었습니다.
본 연구에서는 작은 온도 구배와 압력 강하를 가지면서 목표 주파수에서 투과 손실 값이 큰 머플러를 최적 설계하는 방법을 제시하였으며, 최적 설계 결과를 실험으로 검증하여 신뢰성을 높였습니다. 열전달과 유동 특성을 고려한 음향 시스템 설계 기법은 차량의 배기 시스템, 왕복동 압축기의 흡입 머플러 등에 적용이 가능합니다. 따라서, 본 연구는 지금까지 음향 해석/설계 문제에 국한되어 진행되었던 머플러 설계 문제를 다중 물리 해석/설계 문제로 변환하여 실제 산업 현장에서 적용성이 높은 머플러 설계 기법을 제시하였습니다.
(출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 4P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 10