< Previous구가람, 정철웅 한국음향학회지 제 41 권 제 6 호 (2022) 706 I. 서 론 감압밸브는 고압의 운용 조건 시 개방되어 배관 내 압력을 저감시킴으로써 배관 파손을 방지하고, 출구 측의 압력을 조절해 목표로 하는 운용조건을 조성하기 위해 활용된다. 그러나 밸브를 지나면서 발생하는 급격한 압력저하는 그 자체로 불안정한 유 동구조를 발생시켜 배관 벽면을 가진시키는 유체유 발진동(Flow induced vibration, FIV) 가진원이 되지만, 동시에 강한 유동 소음원으로 작용하여 음향파에 의 한 음향유기진동(Acoustic induced vibration, AIV)을 유발한다고 알려져 있다. [1,2] 배관의 피로파손에 대 한 유체유발진동과 음향유기진동 간의 차이는 Table 1과 같다. 특히, 음향유기진동은 고주파수의 배관 진동을 통 해 용접부와 같은 불연속지점에서 응력집중을 유발 하여 수초에서 수분 내에 배관의 피로파손을 야기하 므로, 산업계에서는 배관을 따라 전파되는 음향파를 빠르게 소산시키기 위하여 경험적인 방법을 활용하 고 있다. 대표적인 방법으로는 배관의 길이를 충분히 길게 하거나 곡관 형태의 배관계를 적용함으로써 수 두손실을 발생시켜 소음을 저감시키는 방안이며, [3] 산업계에서는 곡관을 적용하거나 Olet 또는 Boss 형 태의 분기관을 경험적인 설계방안으로써 채택하고 있다. 또한 밸브 하류 방향의 배관 내부에 오리피스 형태의 부가적인 구조물을 설치하여 소음을 저감시 킬 수 있으며 다공판을 통한 소음저감 연구가 수행 된 바 있다. [4] 산업계에서 가장 대표적으로 활용되는 음향유기 진동 회피 설계안은 Carucci와 Mueller [5] 에 의해 제시 된 배관 내 음향파워 경험식을 기반으로 하며, 배관 의 피로파손 사례를 모두 수집하여 파손 원인을 유 동기인과 음향기인으로 구분함으로써 배관 설계 시 활용할 수 있는 경험식을 제시하였다. 이후의 연구 들은 대부분 해당 연구방안을 차용하여 피로파손 사 례들을 지속적으로 수집함으로써 기존의 설계식을 개선하는 형태로 이루어지고 있다. [6-9] 음향유기진동의 매커니즘을 규명하기 위해 Agar et al. [10,11] 은 상용코드인 ACTRAN을 활용하여 유한요 소법 기반의 음향-진동 연성해석을 수행하였으며, Liu et al. [12] 은 분기되는 배관 구조물을 대상으로 유한 요소법을 활용하여 음향유기진동 회피를 위한 설계 식을 제시하였다. Ridens et al. [13] 은 미국의 Southwest Research Institute(SwRI) 사에서 보유한 배기배관 시 스템을 대상으로 표면 진동을 계측하고, 상용코드를 활용하여 유동과 진동해석을 수행함으로써 시스템 에서 댐퍼에 의한 음향유기진동의 저감 효과를 확인 하였다. Karczub와 Fagerlund [14] 는 Carucci와 Mueller에 의해 수집된 배관 정보를 기반으로 Norton 사에서 개발 한 동응력 예측 기법을 적용하였으며, 배관 두께 및 직경에 따른 음향 파워와 응력 정보를 정리하였다. 이를 통해 음향유기진동에 의한 피로 파손을 예측하 는데 동응력 예측 기법의 유효성을 확인하였다. Fuad et al. [15] 은 Energy Institute에서 제시하는 음향유기진 동에 의한 피로수명 예측식 [16] 을 기반으로 고장발생 가능성(Likelihood of Failure, LOF)을 정의함으로써 설 계단계에서 배관 직경 및 두께에 의한 음향유기진동 회피 설계안을 제안하였으며, 용접부가 없는 구조물 의 사용을 권장하였다. 최근 기후변화에 대응하고 온실가스를 저감하기 위한 노력의 일환으로 친환경 해양플랜트에 대한 필 요성이 대두되고 있으며, 국제해사기구인 International Maritime Organization(IMO)에서의 환경 규제에 대응 하기 위해 선박에서는 천연가스인 LNG와 저유황유 를 사용하는 추진체계에 대한 수요가 급증하고 있 다. [17] 이러한 해저 자원들을 시추, 저장, 운반하기 위 해 안정적으로 운용할 수 있는 배관 시스템이 필수 Table 1. Characteristics of FIV and AIV phenomena. [2] FIVAIV Frequency range 100 Hz or less500 Hz ~ 2,000 Hz Vibration mode Longitudinal vib. (Beam mode) Circumferential vib. (Shell mode) Pipe deformation Visible pipe movement & flapping No visible pipe movement Noise source Turbulent mixing layer & pressure fluctuation Pressure drop Target system Smaller diameter low frequency vent system Pressure reduction device감압 밸브 배관 시스템 내 파수-주파수 분석을 통한 곡관의 유동소음 저감에 대한 수치적 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.6 (2022) 707 적이지만 산업계에서는 대부분 경험적인 설계 기법 과 문제 발생 시의 대처방안에 집중하고 있어 명확 한 소음 저감 매커니즘에 대한 연구는 부족한 실정 이다. 따라서, 본 연구에서는 고압가스를 대상으로 곡관 이 있는 배관에서의 음향유기진동 발생 현상을 해석 할 수 있는 수치 방법론을 개발하였으며, 유동장은 고정밀 해석 기법인 비정상 압축성 대와류모사(Large Eddy Simulation, LES) 기법을 적용하고, 해석된 벽면 압력장 정보를 기반으로 파수-주파수 분석을 수행 하여 음향유기진동에 의한 음향모드를 분석하였다. 또한 곡관 전후의 음향 파워 변화를 비교함으로써 곡관에 의한 음향유기진동 저감 효과를 확인하였다. II. 수치해석기법 2.1 해석 대상 및 격자 구성 본 연구의 해석 대상은 Fig. 1과 같이 감압밸브와 곡 관이 있는 배관시스템이며, 배관 규격은 ISO 7005-1 [18] 에 제시된 규격을 준수하였다. 배관에 적용된 경계조건은 Fig. 2에 제시된 바와 같이 입구와 출구에 각각 압력과 온도를 9 atm, 523 K 과 4.4 atm, 433 K을 적용하였으며, 벽면은 단열로 가 정하였다. 또한 경계면에서의 반사파를 제거하기 위 해 출구에는 비반사 경계조건을 적용하였으며, 배관 내 유체는 이상기체로 가정하였다. 배관 내 격자계는 Fig. 3과 같이 사면체(Tetrahedral) 의 비정렬 격자계로 구성하였으며, 벽면에 5장의 프 리즘 격자를 적용하였다. 사용된 격자개수는 2,586 만개이며, 배관 내 전파되는 음향파의 주파수 범위 를 8,000 Hz까지 선정함으로써 최대 격자 크기는 5.3 mm 이하가 되도록 구성하였다. 2.2 지배방정식 및 수치기법 본 연구에서는 해석을 안정적으로 수렴시키기 위 하여 정상상태 Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 통해 초기값을 생성한 후 비정상 압축성 대와류모사 기법을 적용하였으며, 관련 연속방정식 과 운동량 방정식, 에너지 방정식은 다음과 같다. [19] .(1) .(2) (3) 여기서 , , , , 와 는 각각 밀도와 유속, 압력, 엔탈피, 온도 및 열전도도이며, 하첨자 i, j 는 직교좌 표계에서의 각 방향을 나타내기 위한 성분, 변수 상 단의 는 격자 크기에 기반한 필터링 변수임을 의미 한다. 대와류모사 기법은 격자 크기보다 큰 와류는 직접 Fig. 1. (Color available online) Simulation domain and geometry. Fig. 2. (Color available online) Boundary conditions. Fig. 3. (Color available online) Grid system in si- mulation domain.구가람, 정철웅 한국음향학회지 제 41 권 제 6 호 (2022) 708 모사하고, 격자 크기보다 작은 와류는 아격자(subgrid scale) 모델링을 통해 해상하며 이 때 응력텐서 와 아격자 텐서 의 정의는 다음과 같다. ≡ .(4) ≡ ,(5) 여기서 와 는 각각 점성계수 및 크로네커 델타함 수이며, 하첨자 은 Einstein summation convention을 수행하는 변수임을 의미한다. 본 연구에서는 유동해석을 수행하기 위하여 ANSYS Fluent를 이용하였으며, 압력 기반(Pressure-based)의 압 력-속도 연성(Coupled) 기법을 적용하였다. 시간에 대 해서 2차 정확도의 내재적 기법, 공간에 대해 2차 정 확도의 풍상차분법을 적용하였으며, 아격자 모델로 는 Smagorinsky-Lilly 모델을 적용하였다. 시간 간격은 샘플링 주파수 20 kHz에 해당하는 0.05 ms로 설정하였 으며, 주파수 분석에 사용된 시간 데이터 개수는 8,192 개이다. 해석에 사용된 CPU 개수는 111 코어이며, 비 정상 해석에 소요된 시간은 157 h이다. 2.3 실린더 좌표계에서의 파수-주파수 분석 압축성 유동장에는 유체의 밀도 변화와 무관하게 발생하는 비압축성 압력섭동과 밀도 및 속도 변화와 동기되어 발생하는 압축성 압력섭동이 혼재되어 있 다. 비압축성 압력섭동의 대표적인 현상이 유속을 따라 전파되는 와류 성분이며, 압축성 압력섭동은 음속으로 전파되는 음향파 성분이다. 배관 내 음향유기진동에 의한 가진 성분인 압축성 압력섭동을 유동장으로부터 분리하기 위하여 파수- 주파수 분석을 수행하였으며, 배관 벽면을 따라 추 출하기 위하여 실린더 좌표계를 적용하였다. 실린더 좌표계에서 푸리에 변환에 따른 배관 벽면의 압력 정보는 공간에 대응되는 파수와 시간에 대응되는 주 파수 성분에 대해 다음 식과 같이 표현된다. ∞ ∞ × (6) Eq. (6)은 원형 배관에서의 파동방정식에 대한 이론 해이며, 여기서 , , 는 각각 반경, 회전, 축 방향 성 분들을 의미하며, 는 시간 성분, 과 는 차 1종 베셀 함수와 파수, 과 은 배관의 회전 방향과 반 경 방향 모드 차수이다. 하첨자 +와 –는 각각 하류방 향과 상류방향으로 전파되는 성분임을 의미한다. 음향유기진동은 실린더 배관의 음향모드를 따라 진동하며, 본 연구에서는 배관 벽면에서의 압력 정 보를 활용하므로 Eq. (6)에서 반경방향에 대한 정보 는 배관 쉘 모드를 정의하는 베셀 함수에 기반하여 가정하였다. 공간에 대해서는 회전방향과 축방향 성 분만을 고려하였다. Eq. (6)을 이산화하여 나타낸 이 산 푸리에 변환식은 다음과 같다. ∞ × (7) cos (8) 여기서 는 이산 푸리에 변환을 통해 획득한 스펙트 럼 밀도이며, 는 Hanning 창 함수, 은 시간과 공 간에 대한 데이터 개수이다. 사용된 공간 데이터 개 수는 회전 방향으로 256개, 축 방향으로 256개이다. ∞ ∞ ×cos (9) ∞ ∞ ×cos (10)감압 밸브 배관 시스템 내 파수-주파수 분석을 통한 곡관의 유동소음 저감에 대한 수치적 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.6 (2022) 709 배관을 따라 전파되는 음향파워를 계산하기 위해 원형 배관 내 음압과 입자속도를 활용하였으며, [20] 각각 Eqs. (9), (10)과 같다. (11) (12) ∞ ∞ × cos × (13) 배관 내 음향 파워는 Eqs. (11)과 (12)에 정의된 바 와 같이 일반적인 음향강도와 음향파워의 관계식에 따라 Eq. (13)과 같이 정의된다. 여기서 은 배관의 반경이다. 주요 소음원은 배관 영역에서 발생하며 배관 끝단에서의 반사파 영향을 제거하기 위해 비반 사 경계조건을 적용하였으므로 배관에서는 하류방 향으로 전파되는 음향파 성분만 고려하였다. III. 해석결과 3.1 유동해석 결과 본 연구에서는 안정적인 수렴성을 확보하기 위해 정상상태 압축성 RANS 해석 결과를 기반으로 비정 상 압축성 LES 해석을 수행하였으며, 해당 방법의 유효성을 이전 연구를 통해 확인한 바 있다. [1,21,22] 배 관 내 유동장을 압력과 속도에 대해 각각 Figs. 4, 5에 나타내었다. Fig. 4로부터 감압 밸브를 지나며 급격한 압력저하 가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 5로부터 곡 관을 지날 때 와류 성분이 저감되는 것을 알 수 있다. 해석의 수렴성을 판단하기 위해 입구와 출구에서의 질량유량을 이용하였으며, Fig. 6에 나타내었다. 입구와 출구 모두 평균 유량이 30.58 kg/s로 동일하 게 수렴하였음을 확인할 수 있다. 3.2 파수-주파수 분석 결과 파수-주파수 분석을 위해 선정한 영역은 곡관을 기준으로 상류방향 배관과 하류방향 배관의 벽면이 며, Fig. 5에 나타낸 바와 같다. 배관 벽면에서 추출된 압력장을 기반으로 파수-주파수 분석을 수행한 결 과를 Figs. 7 ~ 8에 나타내었다. Fig. 4. (Color available online) Static pressure dis- tribution. Fig. 5. (Color available online) Velocity magnitude dis- tribution and two regions for wavenumber-frequency analysis. Fig. 6. (Color available online) Mass flow rate on the inlet and outlet.구가람, 정철웅 한국음향학회지 제 41 권 제 6 호 (2022) 710 ± ∓ (14) Figs. 7 ~ 8에서 은 회전방향 모드, 은 반경방향 모드이며, 검은 실선은 배관 내 평균 유속이 있을 경우 각 모드별 특성에 대한 이론해를 나타낸 것이다. [20] 각 모드별 이론해는 Eq. (14)와 같으며, 파수-주파수 선 도 상에서 기울기는 전파 속도를 의미한다. Fig. 7(a) 에 도시한 바와 같이 에 해당하는 평면파 성분 은 직선 형태의 그래프를 보여주며 각각 상류방향과 하류방향으로 음속에 유속을 더한 속도로 전파된다. 그 이상의 고차 모드에 대해서는 포물선 형태로 나 타나며, 그림 내 가장 우측으로 뻗어나가는 직선 성 분은 유동장의 평균 유속 성분을 의미한다. 파수-주파수 선도 상에서 표현되는 음향모드들이 이론해 및 유속 성분과 잘 부합하는 것을 Figs. 7 ~ 8 로부터 확인할 수 있다. 특히, 에 해당 하는 평면파 성분이 하류 방향으로 가장 강하게 발 생하며, 고차 모드로 갈수록 에 해당하는 모드 들이 잘 나타나는 것을 확인할 수 있다. 각 선도에서 잘 나타나는 모드 형상을 각 그림의 Fig. 7의 우측 하 단, Fig. 8의 우측 상단에 나타내었다. 또한 영역 1에 서 영역 2로 갈수록 전체적인 음압 수준이 저감되는 것을 확인할 수 있다. 음향유기진동을 발생시키는 배관 내 음향파는 음 속으로 전파되므로 파수-주파수 선도 상에서 에 해당하는 두 직선 사이의 영역이 압축성 압력섭 동 영역이다. 따라서 음향파워 계산 시 Fig. 9와 같이 압축성 압력섭동 부분만을 고려하였으며, Figs. 7 ~ 8 에 도시된 각 모드별 압력정보를 모두 중첩하여 Eq. (13)을 통해 계산하였다. Fig. 10는 곡관의 상류배관과 하류배관에서의 음향 파워 스펙트럼을 나타낸 그림이며, Table 2는 각 배관 영역에서의 전체 음향 파워이다. 이를 통해 배관 내 곡관이 있을 경우, 음향유기진동 가진원의 음향 파워 가 3 dB 저감되는 효과가 있음을 확인할 수 있다. Fig. 9. (Color available online) The region for com- pressible pressure fluctuation. (a) m = 0(b) m = 1 (c) m = 2(d) m = 3 Fig. 7. (Color available online) Wavenumber-frequency analysis diagram on region 1. (a) m = 0(b) m = 1 (c) m = 2(d) m = 3 Fig. 8. (Color available online) Wavenumber-frequency analysis diagram on region 2.감압 밸브 배관 시스템 내 파수-주파수 분석을 통한 곡관의 유동소음 저감에 대한 수치적 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.6 (2022) 711 IV. 결 론 본 연구에서는 배관 시스템 내 곡관에 의한 소음 저감 효과를 수치적으로 분석하기 위하여 유동해석 과 파수-주파수 분석을 활용한 수치해석 절차를 개 발하였다. 해석 대상은 감압밸브와 곡관을 포함한 배관 시스템이며, 유동장 내 음향파를 모사하기 위 하여 고정밀 해석기법인 비정상 압축성 대와류모사 기법을 적용하였다. 유동해석은 ANSYS Fluent을 활 용하였으며, 곡관을 기준으로 상류방향과 하류방향 에서의 벽면 압력정보를 기반으로 파수-주파수 분 석을 수행하였다. 유동해석 결과를 통해 감압밸브를 지나며 급격한 압력 저하가 발생하고, 곡관을 지나면서 비압축성 압 력섭동에 해당하는 와류 성분들이 저감됨을 확인하 였다. 배관 상류와 하류 영역에서의 벽면 압력 정보 를 기반으로 파수-주파수 분석을 수행하였으며, 파 수-주파수 선도로부터 음향파에 해당하는 압축성 압 력 섭동을 분리하였다. 상류배관과 하류배관에서 모 두 에 해당하는 평면파가 하류 방향으 로 가장 강하게 방사되었으며, , , 에 해당하는 쉘 모드 성분이 주요 모드임을 확 인하였다. 또한, 압축성 압력섭동 영역만을 고려하 여 음향 파워를 계산하였으며, 곡관을 지나며 음향 파워가 3 dB 정도 저감됨을 확인함으로써, 곡관에 의 한 음향파 저감 효과를 확인하였다. 감사의 글 이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음. References 1.G. Ku, S. Lee, K. Kim, and C. 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PWLRegion 1Region 2 dB129.77126.71구가람, 정철웅 한국음향학회지 제 41 권 제 6 호 (2022) 712 industry,” Procedia Engineering, 213, 762-775 (2018). 12.Y. Liu, P. Diwakar, D. Lin, I. Eljaouhari, and A. Prakash, “Development of design curve for sweepolet subjected to acoustic induced vibration,” Proc. ASME, 1-7 (2016). 13.B. L. Ridens, T. C. Allison, S. Simons, and K. Brun, “Modeling and mitigation of acoustic induced vibration (AIV) in piping systems,” PSIG, 1817, 1-9 (2018). 14.D. G. Karczub and A. C. Fagerlund, “Dynamic stress predictions of acoustic-induced pipe vibration failures,” Proc. 24th Int. Conf. Offshore Mech. Arctic Eng. 1-4 (2005). 15.M. F. I. A. Fuad, “Gas piping system fatigue life estimation through acoustic induced vibration (AIV) analysis,” Int. J. Mech. Eng. Rob. 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Kim, “Development of high-fidelity numerical methodology based on wavenumber-frequency transform for quan- tifying internal aerodynamic noise in critical nozzle,” Appl. Sci. 9, 1-15 (2019). 저자 약력 ▸구 가 람 (Garam Ku) 2015년 2월 : 부산대학교 항공우주공학 학사 2017년 2월 : 부산대학교 기계공학 석사 2022년 2월 : 부산대학교 기계공학 박사 2022년 3월 ~ 현재 : 부산대학교 첨단냉동 공조에너지센터 박사후 연구원 ▸정 철 웅 (Cheolung Cheong) 1997년 2월 : 서울대학교 학사 1999년 2월 : 서울대학교 석사 2003년 2월 : 서울대학교 박사 2003년 3월 ~ 2004년 8월 : 서울대학교 BK21 박사후 연구원 2004년 9월 ~ 2005년 5월 : Research Asso- ciate, ISVR, University of Southampton 2005년 6월 ~ 2006년 2월 : 한국표준과학 연구원, 선임연구원 2006년 3월 ~ 현재 : 부산대학교 기계공학 부 교수I. 서 론 팬 시스템은 유체를 수송시키는데 사용되는 동력 기계로, 일반적으로 팬의 유동 토출 방향에 따라 크 게 축류팬, 원심팬, 사류팬으로 분류된다. 그 중 원심 팬은 일정한 회전 속도로 회전함에 따라 회전축과 평행한 방향으로 유동을 흡입하여 회전축과 수직한 방향인 원주 방향으로 유동을 토출시키는 역할을 한 원심팬 시스템의 공력소음 고신뢰 예측을 위한 수치 비교 연구 Numerical comparative study on high-fidelity prediction of aerodynamic noise from centrifugal fan system 유서윤, 1 정민승, 1 송영욱, 1 정철웅 1† (Seo-Yoon Ryu, 1 Minseung Jung, 1 Younguk Song, 1 and Cheolung Cheong 1† ) 1 부산대학교 기계공학부 (Received October 25, 2022; revised November 14, 2022; accepted November 16, 2022) 초 록: 본 연구에서는 대상 원심팬 시스템에서 발생하는 유동 현상과 공력 음향 성능을 수치적/실험적으로 분석하고 다양한 수치 기법을 비교하여 평가하고자 하였다. 먼저 원심팬의 성능을 실험적으로 분석하기 위해 반무향실에서 음 향 파워를 측정하였으며, 실험 결과를 통해 대상 원심팬 시스템에서 방사되는 소음 성능에 대한 유효 주파수 범위를 파악하고 이에 대한 수치 모사를 실시하였다. 수치적으로 유동 및 음향 파워를 분석하기 위해 Navier-Stokes 방정식과 Ffowcs Williams&Hawkings 방정식을 각각 유동장과 음향장의 지배방정식으로 사용하였으며, 음향장의 구현을 위 해 가상의 음향 방사면을 설계하여 사용하였다. 고차 3차원 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)와 연계된 Hybrid-CAA 기법을 사용하여 모사한 음향 파워 레벨과 소음 실험을 통해 측정한 음향 파워 레벨의 비교를 통 해 사용된 수치 기법의 정확도 및 수치적 특성을 평가하였다. 핵심용어: 원심팬 시스템, 전산유체역학, 전산음향학, 대와류모사법, 음향 파워 ABSTRACT: In this paper, the flow performance and aero-acoustic noise generated by the target centrifugal fan system were investigated numerically and experimentally. Also, the numerical method for Computational Aero-Acoustics were evaluated by comparing each method. To analyze the performance of the centrifugal fan experimentally, the acoustic power level was measured in the semi-anechoic chamber using microphones, and the active frequency range for the noise performance was identified and that frequency range was applied for Computational Aero-Acoustics (CAA) techniques as sampling frequency. Then, Navier-Stokes equation and the Ffowcs Williams&Hawking equations were used to analyze the flow and sound power numerically, respectively, and a virtual acoustic radiation plane was designed and used for the implementation of the sound field. The accuracy and numerical characteristics of the numerical methods were validated by comparing simulated acoustic power levels with acoustic power levels measured. Keywords: Centrifugal fan system, Computational Fluid Dynamics (CFD), Computational Aero-Acoustics (CAA), Large Eddy Simulation (LES), Acoustic power PACS numbers: 43.28.Ra, 43.20.Wd 한국음향학회지 제41권 제6호 pp. 713～722 (2022) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.6 (2022) https://doi.org/10.7776/ASK.2022.41.6.713 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Cheolung Cheong (ccheong@pusan.ac.kr) School of Mechanical Engineering, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro 63 beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 46241, Republic of Korea (Tel: 82-51-510-2311, Fax: 82-51-514-7640) Copyrightⓒ2022 The Acoustical Society of Korea. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 713유서윤, 정민승, 송영욱, 정철웅 한국음향학회지 제 41 권 제 6 호 (2022) 714 다. 유동의 방향을 수직으로 변화시킬 수 있는 특징 적 원리로 인해 다양한 분야에서 광범위하게 사용된 다. 원심팬은 주로 원주 방향으로 토출되는 유동을 제어하고 유동 방향의 가이드 역할을 하는 스크롤 하우징 내부에 장착되어 원심팬 시스템으로 사용된 다. 원심팬이 하우징에 장착될 때 팬 블레이드 끝단 과 하우징 사이의 간극으로 인해 복잡한 유동 현상 이 발생하며 이러한 유동 구조는 공기역학적 성능에 영향을 미칠 뿐 아니라 유동 소음원으로 작용한다. Choi et al. [1] 은 의류 건조기용 원심팬과 덕트 및 하 우징 시스템의 유량 성능 향상 및 공력 소음 저감을 위한 수치적/실험적 연구를 수행하였다. 유량과 소 음 성능에 대한 최적화 설계를 위해 반응표면법을 사용하였으며, 약 4.2 %의 유량을 향상시킨 바 있다. Jung et al. [2] 은 냉장고 냉동실 냉기순환용으로 사용 되는 원심팬 시스템을 대상으로 유동 및 소음 성능 을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 일반적인 원심팬 하우징이 아닌 두 개의 토출부를 가지는 형 상적 특징을 고려하여 팬 블레이드와 하우징 간의 상관 관계를 유동장을 통해 분석하였으며, 팬 블레 이드의 익형 형상의 영향도를 평가하였다. 또한, 익 형의 입구각과 출구각에 대한 최적 설계를 수행하여 유량과 소음 성능을 개선한 원심팬 블레이드를 설계 한 바 있다. Shin et al. [3] 은 냉장고 내 제빙용 원심팬 시 스템의 성능 향상을 위해 전산유체역학 기법을 사용 하여 내부 유동장을 분석하고 블레이드 허브의 곡률 이 유량 성능에 미치는 영향도를 평가하였다. 또한, 허브-하우징 간의 일종의 캐비티 구간에서 발생하 는 와류를 포착하여 이에 대한 개선 설계를 실시하 여 성능을 향상시킨 연구를 수행하였다. Kim et al. [4] 은 무선진공청소기용 팬 모터 단품으로부터 방사되 는 공력 소음을 수치 해석과 실험을 통해 평가하였 으며, 블레이드-블레이드 간 채널에서 발생하는 내 부 와류가 전체 유량 성능에 손실로 작용하는 것을 확인하였다. 이를 개선하기 위해 스플리터 날개를 추가한 개선 설계를 제시하였다. 다구찌 기법을 사 용하여 스플리터 설계 인자가 성능에 미치는 영향도 를 평가하고 그 결과를 활용하여 최소 소음을 나타 내는 스플리터의 최적 위치와 길이를 결정하여 소음 성능을 개선한 연구를 진행하였다. 이러한 선행 연구와 같이 원심팬 시스템의 소음 성능에 대한 연구는 형상 변경, 최적화를 통한 소음 성능 개선에 초점을 두어 진행된 연구가 대부분이 다. 하지만 어떠한 형상이라도 원심팬 시스템에서는 팬 블레이드 회전에 의한 팬 유동, 팬과 시스템 간극 에서 발생하는 유동, 토출되는 유동 등 다양한 유동 현상이 발생한다. 이러한 유동 현상이 상호작용하며 유동소음원으로 작용하기 때문에 유동 구조를 파악 하고 팬 회전에 의한 유동 소음의 저감을 위해서는 발생 메커니즘을 규명할 수 있는 효율적인 소음 예 측 기술 개발이 선행되어야 한다. 이에 따라 본 논문 에서는 원심팬 시스템을 대상으로 유동 현상과 공력 음향 성능을 수치적, 실험적 방법으로 분석하여 다 양한 수치 기법을 비교하여 평가하였다. II. 이론적 배경 본 연구에서 팬 회전으로 인해 발생하는 유동 소 음을 예측하기 위한 수치적 방법으로 전산공력음향 학(Computational AeroAcoustics, CAA) 기반의 방법론 을 사용하였다. CAA는 비정상 상태의 유동으로 인 해 발생하는 소음을 수치 해석할 수 있는 수치 기법 을 개발하고 이를 이용하여 복잡한 유동 소음 발생 메커니즘을 규명하는 것을 목적으로 하는 분야이며, 크게 직접 방법(Direct numerical method)와 복합 방법 (Hybrid method)로 구분할 수 있으며, Fig. 1에 나타낸 바와 같다. 직접 방법은 고정확, 고정밀의 수치 해석 을 수행하여 유동장과 음향장을 동시에 해석하는 방 법으로 유동 및 구조물을 고려한 소음 해석 결과를 바로 계산하여 평가할 수 있다는 장점이 있으나, 수 치 비용이 크게 발생하기 때문에 연구 효율성이 낮 다는 단점이 있다. 반면, 복합 방법은 유동장과 음향 장을 분리하여 공력 소음을 예측하는 기법으로 직접 방법보다 비교적 적은 수치 비용으로 소음을 효과적 으로 예측할 수 있다는 장점으로 다양한 연구에 활 용된다. [5,6] 본 연구에서는 CAA의 직접 방법과 복합 방법을 사용하여 효율적으로 원심팬의 소음을 예측할 수 있 는 수치 기법을 평가하고자 하였다. 직접 방법을 통 한 소음 예측을 위해 대와류모사법을 사용하였다. 정원심팬 시스템의 공력소음 고신뢰 예측을 위한 수치 비교 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.41, No.6 (2022) 715 확한 직접 방법을 사용한 유동 및 유동 소음을 예측하 기 위해서는 Navier-Stokes 방정식을 아무 가정없이 수치 해석하는 직접 수치 모사(DNS, Direct Numerical Simulation) 기법이 필요하지만, 원심팬 시스템과 같 이 복잡한 형상에 적용하기 위해서는 매우 큰 계산 비 용이 발생하여 현재까지는 이론적 분석이나 문제의 물리적 이해를 돕기 위해 사용되며, 이에 대한 대안 으로 대와류모사법이 사용된다. 대와류모사법을 이 용한 직접 방법은 유동장 내의 비선형적인 유체의 거 동뿐만 아니라 음압을 직접적으로 계산할 수 있기 때 문에 정확도가 높다고 평가할 수 있다. 대와류모사법 을 사용하여 압축성 음압을 직접적으로 계산하고, 대 상 수음점에서의 음압을 사용하여 신호처리하는 방 법으로 소음을 예측하여 직접 방법을 평가하였다. 또한, 복합 방법을 평가하기 위해 3차원 비정상 Reynolds-Averaged Naiver-Strokes(RANS) 방정식을 지 배방정식으로 수치 해석하여 팬 회전에 따른 유동장 을 예측한 후, 계산된 유동 정보를 바탕으로 Lighthill 의 음향상사법 [7] 에 기반한 Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) 방정식을 사용하여 소음원을 모델링하고 소 음 적분면을 선정하여 소음을 예측하는 방법을 사용 하였다. [8] 이 때, 유동 해석의 지배 방정식인 RANS 방 정식은 시간 평균 변수에 대한 방정식으로 광대역 소음 예측을 위한 섭동 정보를 정확히 표현하지 못 한다는 단점을 가진다. CAA 기법을 이용한 소음 예측을 수행하기 앞서, 신뢰할 수 있는 해를 얻기 위해서는 동적으로 의미 있는 모든 스케일의 유동을 포함하여 해석이 수행되 어야 한다. 즉, 수치 해석에 사용되는 공간 격자와 시 간 해상도가 유동의 가장 작은 스케일의 동적 특성 을 포착할 수 있도록 충분히 작아야 한다. 시간 및 공 간 격자 해상도는 예측하고자 하는 최대 신뢰 주파 Fig. 1. (Color available online) Outline of computational aeroacoustics method. Fig. 2. (Color available online) Concept of point per wavelength.Next >