검색 상세

CFD 시뮬레이션을 이용한 직교류 홴의 광대역 소음 예측

Prediction of the Broadband Noise of a Cross-Flow Fan using CFD Simulation

초록/요약

최근 에어컨 실내기의 소음 저감 문제는 중요한 주제로 부각되고 있다. 에어컨 실내기의 지배적인 소음은 직교류 홴에 의한 유동 소음이고 이산 소음과 광대역 소음으로 구분된다. 블레이드 사이 유로를 통과하는 주기적인 유동 특성에 의하여 특정 주파수에서 발생하는 이산 소음과 달리 넓은 주파수 영역에서 고른 분포를 가지는 광대역 소음은 난류 유동 특성의 영향을 받기 때문에 소음원이 다양하고 발생 메커니즘이 복잡하여 예측하기 어려운 문제가 있다. 일반적으로 홴 유동 소음을 예측하는 위해 비정상 전산유체역학방법을 이용하여 유동장을 해석하고 유동장의 압력 정보를 음향상사방법의 입력항으로 이용하는 방식이 사용된다. 기존 연구들은 직교류 홴의 유동을 2차원으로 가정하고 RANS 난류 모델을 이용하였기 때문에 3차원적인 난류 유동 특성을 예측하지 못하여 결과적으로 광대역 소음 예측의 정확성이 떨어지는 문제가 있었다. 본 연구에서는 LES와 RANS의 장점이 결합된 DES를 이용하여 직교류 홴의 3차원적인 난류 유동 특성을 예측함으로써 광대역 소음을 정확히 예측하고자 하였다. 3차원 DES의 유동 소음 해석 결과와 비교하기 위해 여러 가지 난류 모델을 사용한 2차원 URANS 해석을 먼저 수행하였다. CFD 시뮬레이션을 통하여 도출된 35개 블레이드, 스테빌라이저, 리어 가이더 표면의 압력 변동 데이터를 FW-H 음향상사해석의 입력값으로 사용하여 유동 소음을 해석하였다. 에어컨 실내기 부품들의 소음 레벨에 미치는 영향도를 분석한 결과 블레이드, 스테빌라이저, 리어 가이더 순으로 전체 음압 레벨에 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 2차원 해석으로 예측된 음압 레벨이 실험값보다 상향 예측되었는데, 이것은 2차원 해석에서 도출된 유동장은 축 방향으로 연속적이기 때문에 블레이드에서 분리되는 박리 거품의 크기가 실제보다 더 크게 예측되는 것에서 기인한 것이다. 2차원 URANS와 다르게 3차원 DES 해석 결과에서는 직교류 홴 스팬 방향으로 불연속적인 유동 특성이 나타났고, 블레이드에서 분리되는 큰 스케일의 박리 거품이 작은 스케일의 유동으로 분해되는 것이 성공적으로 예측되었다. 결과적으로 2차원 해석에서 예측된 큰 스케일의 박리 거품 때문에 과다 예측된 저주파수 영역의 음압 레벨이 감소하였다. 하지만, 3차원 DES에서 예측된 저주파수의 음압 레벨은 실험값에 비하여 여전히 상향 예측되었는데, 기존의 블레이드나 케이스 벽과 같이 고체 표면이 아닌 유체 영역 내부의 인터페이스 면에 소음 상사면을 설정한 경우에 저주파수 영역의 음압 레벨이 실험과 유사하게 나타났다. 직교류 홴의 3차원 난류 유동 특성이 DES에서 성공적으로 예측된 것을 확인한 후에, 블레이드 끝단에 돌기를 부착하여 박리 거품의 분해를 가속화시키는 시도를 수행하였다. 수정된 블레이드를 이용하여 DES와 FW-H 상사해석 결과, 박리 거품의 분해가 더욱 활발하게 나타났고 기존 모델보다 큰 스케일의 유동이 더 감소하면서 소음 스펙트럼 상에서 저주파수 영역의 음압 레벨이 기존 블레이드 경우보다 더 감소하여 소음이 저감된 결과를 얻었다. 이와 같이 본 연구에서 수행된 3차원 DES와 소음상사 방법은 추후 블레이드나 다른 부품들의 형상을 다양하게 변경시키며 소음을 개선할 수 있는 유용한 자료와 아이디어를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

more

초록/요약

Recently, the noise problem is considered to be an important topic in industry regarding the design of air-conditioner (AC). The cross-flow fan is the main cause of the flow noise in AC indoor unit; the flow generated by the rotating cross-flow fan interacts with various parts of the AC indoor unit such as the heat exchanger, stabilizer, rear guider, etc. The flow noise due to the fan consists of so-called discrete and broadband noises. The discrete noise is generated due to the periodic interaction of the blade wake and casing wall, while the broadband noise is generated mainly due to the random turbulent flow. Since the mechanism of generation of the broadband noise is quite complicated due to the turbulent characteristics, the broadband noise has not been successfully investigated yet. Following the common procedure to predict the fan noise using CFD, the unsteady flow field is first obtained from a simulation, then the unsteady pressure fluctuation is used as the input value for the analysis using the acoustic analogy. Since many previous studies consider the flow field of the cross-flow fan as two-dimensional and use a Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) turbulence model, three-dimensional turbulent flow field cannot be obtained in the simulation, which leads to poor prediction of the broadband noise. In the present study, the detached-eddy simulation (DES) was performed to accurately predict the three-dimensional turbulent flow of the cross-flow fan so as to improve the accuracy of predicting the broadband noise. To evaluate the accuracy of predicting noise using 3-D DES, 2-D URANS simulations were performed with various RANS models. From the results of the CFD simulations, the information of the surface pressure at the stabilizer, rear guider and 35 blades is used for the analysis using the Ffowcs Williams-Hawkings method. The result shows that the pressure fluctuation on the blade surface has the dominant effect on the overall noise level followed by the stabilizer; the rear guider has the least effect on the overall noise level compared to the other parts. It is noted that the 2-D URANS simulations overestimate the sound pressure level compared to the experiment. Specifically, the size of separation bubble detached from the blade in the 2-D simulation is larger than that in the actual flow field due to the inherent symmetric condition, which leads to a large fluctuation of the pressure when the bubble impinges on the casing wall. Unlike the 2-D URANS simulations, the 3-D DES can predict the variation of the flow field in the spanwise direction and show that the large separation bubble detached from the blades breaks down into small scale flow structure. Consequently, the noise level in the low frequency predicted from 3-D DES becomes lower than that of the 2-D URANS. However, the low frequency noise in the 3-D DES is still overestimated than the experiment. To improve the accuracy of prediction in the low frequency noise, a permeable FW-H integration surface is adopted on an internal interface near the impeller, and shows an improved agreement in the low frequency noise level with the experiment. To reduce the noise level of the cross-flow fan, a blade geometry with protruding edges is considered in the 3-D DES. The results show that the separation bubbles in the blade model with protruding edges break down more strongly than the normal blade model. As a result, the noise level in the low frequency in the blade model with protruding edges decreases compared to the normal blade model. The present numerical study can provide useful information and ideas to understand and reduce the noise issues from a cross flow fan in AC indoor unit.

more
반출 Meta View 목록