수치적 방법을 이용한 송풍기 유동소음해석에 관한 연구
A Study on Computational Aeroacoustic Noise of Fans by Numerical Analysis Method
- 주제(키워드) 전산유체역학 , 공력음향상사 , 축류팬 , 원심팬 , 비정상 레이놀즈-평균 나비어-스톡스 , 대와류모사 , 수치적 잡음 , 필터 , 최적화 , 다구치 방법
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 허남건
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046531
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
송풍기는 날개를 이용하여 회전운동에너지를 유체에 전달함으로써 유체가 움직이도록 하는 장치이다. 송풍기의 주요한 평가 지표로서는 성능과 유동소음을 들 수 있다. 이중에서도 유송소음에서는 가전제품이나 자동차부품에서 소비자의 감성 품질에 대한 요구가 증대되고 소음 규제가 강화됨에 따라, 저소음의 송풍기를 단시간에 개발하기 위해서 빠르고 정확한 예측 기술이 절실히 요구된다. 이 중에서 수치해석 방법은 빠르고 정확하게 성능과 유동소음을 예측하는 방법으로서 가장 적합하다. 송풍기의 성능과 유동소음의 수치적 예측 방법은 다음과 같다. 그 방법으로는 비정상 전산유체역학방법을 이용하여 유동장을 해석하고 이때 얻게 되는 유동장의 압력 정보를 공력음향 상사 방법의 입력항으로 이용하는 방식이 사용되고 있다. 전산유체역학방법은 난류모델과 이산화 방법 및 계산 격자와 비정상 시간 간격 등에 따라서 해석에 소요되는 시간과 정확도가 달라질 수 있다. 뿐만 아니라 전산유체역학 결과를 이용하여 공력음향상사방법으로 유동소음을 계산할 때에도 전산유체역학을 할 때에 발생한 수치적 오차에 의한 수치적 잡음의 발생으로 인해 유동소음이 실제와는 다른 결과가 나오는 경우가 있다. 전산유체역학의 이러한 수치적 오차의 원인을 밝히기 위하여 유한체적법의 압력 이산화 방법과 대류향 이산화 방법 그리고 비정상 해석의 시간 간격과 계산 격자의 크기의 영향을 연구하였다. 또한, 두 가지 난류 모델인 비정상 레이놀즈-평균 나비어-스톡스 방법과 대와류모사 방법을 비교하였다. 그 결과 소음 예측 시 수치적 잡음의 원인은 비정상 해석의 시간 간격과 계산 격자의 크기가 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 즉, 계산 격자의 크기가 작아질수록 성능과 유동소음의 예측 정확도가 향상되고 수치적 잡음의 발생이 감소하였다. 하지만, 비정상 해석의 시간 간격의 경우에는 시간 간격이 커질 수 록 수치적 잡음은 줄어들지만 전산유체역학의 정확도가 떨어져 유동소음의 예측 정확도가 떨어지며, 시간 간격이 작아지면 전산유체역학의 정확도는 향상되지만 공력음향상사방법을 적용할 때에 수치적 잡음이 급격히 증가하였다. 따라서, 전산유체역학방법과 공력음향상사방법을 이용할 때에 비정상 해석 시간 간격과 계산 격자 크기가 유동소음 예측 결과에 미치는 영향을 배제하기 위하여 수치적 잡음을 제거하기 위한 필터의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전산유체역학 결과를 공력음향상사방법에 적용하기 전에 적용하여 수치적 잡음을 감소시킬 수 있는 필터를 연구하였으며 효과적으로 수치적 잡음이 감소하는 결과를 얻었다.
more초록/요약
Fan is an instrument of impelling fluid which transforms rotating kinetic energy into fluid by dint of blade. Major criteria of fans are dependent upon performance and flow noise. With regard to the flow noise whenever making use of home appliances and vehicle parts, consumer's demand for emotional qualities are increasing and noise regulations are tightening up. In the light of the above mentioned trend, both rapid and accurate techniques of prediction are urgently needed for the development of fans with the lowest level of flow noise in a short time. Among many possible techniques, numerical methods for both rapid and accurate prediction of performance and flow noise are most appropriate. Numerical predicting methods for performance and flow noise are as follows. Taking advantage of unsteady computational fluid dynamics, flow field was analyzed and pressure data of flow field obtained through this process was utilized as an input source of Aeroacoustics Analogy Method. Computational fluid dynamics vary with time and accuracy needed for analysis, depending upon turbulence model, discretization method, computational grids, unsteady time interval, etc. Unreal results of flow noise can be occurred by the numerical noise, produced through numerical errors. Numerical errors were caused not only by making use of results for computational fluid dynamics, but also by calculating flow noise through Aeroacoustics Analogy Method. In order to find out the cause of numerical errors, pressure discretization method for limited measurements, convective discretization scheme, unsteady analysis time interval, and the size effect of computational grids were studied in this research. Unsteady Reynolds-Averaged Naiver-Stokes Method with two turbulence models was also compared with Large Eddy Simulation Method in this study. The cause of numerical errors whenever predicting noise was mostly brought about by effects of time interval for unsteady analysis and the size of computational grids. As the size of computational grids was getting smaller, predicting accuracy for performance and flow noise decreased. However, in the case of time interval for unsteady analysis, as time interval was getting wide, numerical noise had decreased. But at this time, accuracy for electric flow dynamics was also falling and this led to the decrease of predicting accuracy for flow noise.As time interval was getting short, accuracy for computational fluid dynamics had enhanced, on the contrary, numerical errors had rapidly increased when applying Aeroacoustics Analogy Method. Therefore, in order to get rid of effects which affect predicting results of flow noise, the development of filter for eliminating numerical noise was keenly needed. In this research, we undertook developing filter for decreasing numerical noise, by applying results of electric fluid dynamics, prior to using Aeroacoustics Analogy Method, and thereafter we effectively obtained the decreasing results of numerical noise.
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