직교류팬에 대한 공력소음의 고정확도 예측을 위한 수치해석 연구
A Numerical Study for the High-Accuracy Prediction of the Aerodynamic Noise of a Cross-Flow Fan
- 주제(키워드) 도움말 직교류팬 , 에어컨 실내기 , 공력 소음 , 음향 상사 , 소음 보정 , 소음원
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 허남건
- 발행년도 2014
- 학위수여년월 2014. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000053397
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약 도움말
최근 다양한 산업 분야에서 소음에 대한 문제가 중요하게 인식됨에 따라 제품의 저소음화가 부각되고 있다. 특히 에어컨 실내기와 같은 경우는 실제 거주공간에 위치하기 때문에 소비자로부터 소음 저감에 대한 요구가 증가하고 있다. 여기서 발생하는 소음은 직교류팬의 유동 특성에 의한 공력 소음이 지배적이며, 발생 매커니즘에 따라 이산 소음 및 광대역 소음으로 구분된다. 이산 소음은 블레이드 사이를 통과하는 주기적인 유동 특성에 의해 특정 주파수에 집중되어 피크 소음으로 발생하며, 광대역 소음은 난류 특성의 영향에 의해 상대적으로 고 주파수 영역에 고른 분포를 갖는다. 공력 소음을 전산해석을 이용하여 정확히 예측하는데 어려운 문제가 있다. 공학적으로 매우 적은 압력 변동은 상당히 큰 소음 수준의 변화를 유발하고, 랜덤한 성질의 난류 유동을 고 정확도로 예측하기가 까다롭기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 직교류팬에 대한 공력 소음을 정확히 예측하기 위한 일련의 프로세스를 정립하고, 이를 기반으로 공력 소음원에 대한 분석하였다. 이와 같은 연구 목적을 위하여 다양한 수치 기법에 대한 영향을 평가하였다. 직교류팬 주변의 난류 유동을 해석하기 위해 2차원 URANS와 3차원 DES 및 LES 난류 모델을 적용하여 비교 분석하였고, 각 경우에 대하여 원거리 음압을 계산하기 위해 음향 상사 방법(Farassat 1A fomulation)을 적용하였다. 또한 3차원 해석에서 해석 영역의 축 방향 길이와 실제 에어컨 실내기 모델의 축 방향 길이의 차이를 고려하기 위한 소음 보정 이론을 적용하였다. 3차원 해석에서 계산 비용 문제를 고려하여 특정한 해석 영역을 선정하였고, 실제 직교류팬의 축 방향향 길이와의 차이에 해당하는 가상의 공간에 대한 영향을 소음 계산에서 보정해 주는 방법이다. 결과적으로 3차원 LES 모델을 적용한 경우에 가장 물리적으로 타당한 유동 결과와 고 정확도를 갖는 공력 소음이 예측되었고, 소음 보정 이론이 3차원 해석에서 상당히 유용한 것으로 확인되었다. 직교류팬에 대한 공력 소음의 고 정확도 예측 결과를 이용하여 공력 소음원을 분석하였다. 주 소음 방사면으로 고려한 블레이드와 팬 케이싱이 전체 소음 수준에 미치는 영향을 평가하였다. 익통과주파수의 피크 소음과 광대역 소음에 대하여 블레이드가 가장 지배적인 소음원이며, 두 개의 팬 케이싱 중에 리어가이더가 저 주파수의 소음에 상당한 영향을 주는 것으로 확인되었고, 나머지 팬 케이싱인 스태빌라이저는 상대적으로 소음 수준이 매우 작게 예측되었다. 또한 두 개의 팬 케이싱에 대하여 면적을 세분화하여 유동 및 소음 특성을 국소적으로 분석하였다. 피크 소음은 블레이드와 가장 가까운 위치에서 영향이 높았고, 토출부에서는 난류 소산에 의해 소음 수준이 낮은 것을 확인하였다. 저 주파수 영역의 소음은 블레이드로부터 박리된 와도의 병합에 의해 영향을 받으며, 이는 특히 리어가이더 근처에서 활발히 발생하는 것을 확인하였다. 결과적으로 본 연구의 결과는 직교류팬을 이용하는 시스템의 저소음화에 대하여 근간이 되는 자료가 될 것이라 사료된다.
more초록/요약 도움말
The low noise of a system has been issued as the noise problem is more important for various industry fields recently. Especially, in case of an air-conditioner (AC) indoor unit, the needs for noise reduction have been increased from the consumer because it is located in a living space. The noise of AC indoor unit is almost generated by the aerodynamic noise due to flow characteristics, and these noise is classified according to mechanism of noise generation. The one is discrete noise which is generated in specific frequency as peak noise due to periodic flow from blade passage. The other, broadband noise, has relatively even distribution in high frequency band because of turbulent characteristics. There is some problem to accurately predict the aerodynamic noise using computation. Because the very small pressure value focoused on mechanical engineering causes quite large variation of noise, and the accurate prediction of turbulent flow is difficult due to its randomness. So, in this study, computation process was founded for accurate prediction of aerodynamic noise. And the analysis of acoustic source was conducted using accurate flow and noise results. For the high-accuracy noise prediction, the effect of various numeircal methods were investigated. The flow results were compared and analyzed using 2-D URANS, 3-D DES and LES in order to calculate the turbulent flow near the cross-flow fan. Farassat 1A formulation which is derived from Ffowcs-Williams Hawkings of acoustic analogy method was used to predict the far-field acoustic pressure. While the span length of computation domain was smaller than the actual span length for 3-D simulation due to the computaion time. So the noise correction method was applied to take accout for the difference of span length. Consequently the 3-D LES case showed the best agreement with experimental data, and the noise correction method was quite useful in 3-D simulation case. Finally the acoustic sources were analyzed using the high-accuracy prediction result. The source surfaces such as blades and fan casings was compared with each noise level to investigate the effect for total noise of AC indoor unit. The blades was dominant source in blade passinf frequency and high frequency band, and the rear guider which is one of the fan casings showed the substantail effect for total noise level. While the stabilizer, the other fan casings, scarcely had effect. For the stationay surface, fan casings, it were devided by the detailed small surfaces to analyze flow and noise characteristics in locally. The BPF peak noise was predicted on the surface where is the most close to cross-flow fan, while the region of exhaust had the lower noise level due to the dissipation of seperated flow structures from the blade tip. And the vortex merging near rear guider caused the noise in low frequency band. These all of the results would be the foundation for low noise system using the cross-flow fan.
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