상단여백
HOME 해외사례 월드와이드에너지
공조용 팬의 공력소음을 예측하고 줄이는 방법
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.07.12 13:32
  • 댓글 0

주거 환경이나 업무 환경에서 쾌적성에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 이에 공조 시스템 도입 시 온도나 습도 조절과 같은 기본적인 기능은 물론 무소음, 즉 정음화(靜音化)가 중요하게 되었다. 그런데 공조기의 소음을 좌우하는 것은 바로 ‘팬’이다.

그렇다면 공조기의 성능은 해치지 않으면서 소음은 줄이는 솔루션으로는 어떤 것이 있을까? 일본 히타치 그룹의 연구 사례를 통해 그 솔루션에 대해 알아보자

 

지금까지 공조기의 소음을 줄이기 위해 많은 실험과 연구가 이루어졌다. 이러한 실험은 공조기 팬의 특성이나 기류의 흐름을 추정하여 공력소음(空力騷音)을 예측하는 방법이 적용됐다. 그러나 기존 방법만으로는 근본적으로 팬을 소음을 낮추기 어렵다. 소음을 예측하는 새로운 방법과 이를 이용한 공조용 팬의 저 소음화 방법 개발이 필요하다. 이 과제의 유효한 해결책으로 언급되는 것이 바로 수치유체 해석(Computational Fluid Dynamics, CFD)이다. 그 중에서도 LES(Large Eddy Simulation)가 가장 효과적인 방법으로, 최근 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이 해석법을 알아보기 전에 먼저 공조기 소음의 분류에 대해 짚어보자. 일반적으로 팬의 공력소음은 회전소음과 난류소음으로 크게 구분할 수 있다. 회전소음은 흡입 흐름(유동) 비축대칭성(non-axisymmetric)과 회전하는 날개에 의해 생기는 흐름이나 날개와 정지 유로의 간섭에 기인한다.

 

이러한 현상의 경우 유동의 공간 스케일이 크기 때문에 비교적 소규모의 계산으로 예측할 수 있다. 그러나 연구 대상인 공조용 팬은 주로 개방된 공간에서 사용되는 경우가 많다. 이에 흡입된 기류의 비축대칭성이나 날개와 정지 유로의 간섭이 적어 유동에서 발생하는 난류소음이 지배적이다. 난류소음은 날개에서 어떤 물질이 떨어져 나가거나 소용돌이에 의한 양력 변동, 날개면에 형성되는 난류경계층의 변동 때문에 발생한다. 따라서 난류소음을 예측하기 위해서는 날개면의 난류경계층을 정확하게 파악할 필요가 있다. 여기서 수치 계산으로 난류경계층을 파악한다는 것은 날개면의 난류경계층 내에 발생하는 소용돌이(縦渦)를 파악하는 것과 같다.

종와(縦渦)란 날개면에서 주 기류 방향과 동일한 방향으로 형성되는 소용돌이를 뜻한다. 히타치에서 연구 대상으로 한 공조용 팬의 경우 레이놀즈수(Reynold’s number)에 의거하면 직경이 1mm다. 종와의 형상을 해석하기 위해서는 수억, 수십억 규모의 메시(mesh)에 의한 대규모의 유체계산이 필요하다. 히타치에서는 슈퍼컴퓨터를 활용하여 기존에 실현 불가능했던 유체계산을 실시했다.

 

공조용 팬의 해석

실험 대상이 된 공조기는 원심 팬 외측에 열교환기가 있는 형태로, 공기는 그릴/필터를 통해 원심 팬에서 승압되어 열교환기/토출 유로를 지나간다. [그림 1]은 실험 대상인 원심 팬의 외관을 나타낸 것이다. 벨마우스는 원심 팬의 슈라우드에 오버랩된 형상으로 배치되어 있다. 이를 위해 벨마우스와 슈라우드 사이에 새는 흐름이 발생하여 복잡한 흐름이 형성된다.

유체계산을 위한 소프트웨어는 FrontFlow / blue(FFB)를 사용했다. FFB는 난류종의 중요한 다
이내믹스를 메시에 의해 상을 해석한다. 이로써 높은 정밀도로 난류 형상을 예측하는 것이 가능하다. 계산 영역은 입구, 익근차, 출구의 세 가지 영역으로 구성된다. 익근차 영역은 회전장, 입구 영역과 출구 영역은 정지장으로 했다.

메시의 요소 수는 6,000만 메시(60Mgrid)이며 60Mgrid를 리파인하여 해석도를 높였다. 여기에서  리파인이란 메시를 세분화하는 기능이다. 구체적으로는 메시의 분할 수를 종횡 높이로 반분하여, 메시수를 8배로 늘리는 것이다. 이 연구에서는 60Mgrid와 60Mgrid를 1회 리파인한 5억 메시(500Mgrid)를 이용해 공력소음을 어디까지 정량적으로 예측 가능한가를 확인했다.

 

결과에 대한 고찰

[그림 2]는 원심 팬의 소음 스팩트럼 계산 결과와 실험 결과를 나타낸다. 소음은 익근차의 흡입
측 1m의 거리의 위치에서 진행한 계산 결과와 실험 결과다. 소음은 Curle식을 이용해 계산했다. 500Mgrid의 음압 레벨은 60Mgrid에 비해 저감하여 1,000Hz 이하에서는 실험 결과와 거의 동등한 수준이었다.

그림에서 표시된 와도(vorticity, 유체입자의 각 운동량에 비례하는 그 입자의 회전, 유체의 와동 운동의 강도와 그 축 방향을 나타내는 스펙트럼)가 높아지고 있는 것이 종와이며 종와는 날개의 스판 방향으로 복수본을 확인할 수 있다. 500Mgrid는 60Mgrid에 비해 메시의 해상도가 2배 높다. 때문에 500Mgrid의 종와는 60Mgrid에 비해 세밀하다고 파악된다.

그 결과 종와의 스판 방향의 본수가 증가하고 있다. 이렇게 종와를 파악하는 것이 계산의 정밀도 향상에 기여한다. 이상과 같이 스판(경)을 이용해 처음으로 실현 가능한 5억 메시 규모의 유체계산을 실행함으로써 공력소음의 계산 정밀도 향상을 확인할 수 있었다.

 

공력소음 저감 방법에 대한 연구

두 번째 실험은 팬의 저 소음화 수단 중 하나인 날개 수 저감의 효과에 대해 검증하는 실험이다. 즉 공조기용 실외기의 프로펠러 팬에서 공력소음 저감 효과의 요인을 분석하는 것이다. 실험용 팬은 공조기의 실외기에 사용되는 날개 수가 서로 다른 2종류의 프로펠러 팬으로 했다. [그림 3]은 실험 대상인 프로펠러 팬의 외관을 나타낸다. 날개가 2매인 프로펠러 팬은 날개가 4매인 프로펠러 팬에 비해 5.9dB 저소음이다.

날개 수 저감에 의한 날개 간 유동과 공력소음의 관계를 조사하기 위해 LES에 의한 비정상계산을 실시했다. 소프트웨어는 원심 팬과 같은 FFB를 사용했다. 계산 영역은 입구, 프로펠러, 출구의 세 가지 영역으로 했다. 프로펠러 부는 회전장, 입구부와 출구부는 정지장으로 했으며, 메시의 요소 수는 1000만 메시다.

이 연구에서는 유동을 상세히 분석하기 위해 특이점이론을 기반으로 지적 가시화 수법을 이용했다. 구체적으로는 흐름의 특징을 파악하기 위해 소용돌이의 중심을 가시화했다. 가시화한 소용돌이 중심에 무차원의 헬리시티(소립자가 운동하는 방향의 스핀 성분의 값) Hn을 표시했다. 소음의 대소 관계를 평가하기 위해 Curle식을 이용해 소음을 계산했다. 또한 날개면의 정압변동을 가시화하여 소음원의 위치를 평가했다.

 

팬의 날개 수가 소음에 미치는 영향은?

[그림 4]는 프로펠러 팬 소음 스펙트럼의 계산 결과와 실험 결과의 비교를 나타낸다. 이 계산은 대규모 계산이 아니기 때문에 종와가 충분히 해석되지 않았다. 계산 결과는 실험 결과에 대해 과대평가되어 있으나 주파수에 대한 음압 레벨의 정성적인 경향과 날개 수의 차이에 의한 음압 레벨의 차는 대강파악할 수 있었다.

날개 끝 소용돌이는 무차원 펠리시티 Hn의 변화가 없이 날개 사이를 통과했다. 이러한 유동은 반개 방형 프로펠러 팬에서 정압 효율이 높은 상태일 때 나타나는 전형적인 날개 간 흐름이다. 날개가 2개인 프로펠러 팬은 날개가 4개인 것에 비해 익현장(날개의 앞 가장자리와 뒷 가장자리를 연결한 선, chordlength)이 길다. 이에 날개 끝의 소용돌이가 날개 간을 통과하는 궤적이 길다. 따라서 날개가 2개인 프로펠러 팬의 종와 주변의 와도는 날개가 4개인 프로펠러 팬에 비해 감쇄가 크고 날개 간 핀치가 넓다.

이에 날개가 2개인 프로펠러 팬의 종와와 옆 날개의 가장 가까운 거리 L은 날개가 4개인 프로펠러 팬의 약 4배가 된다.

[그림 5]는 날개 압력면 측 정압변동의 가시화 결과를 나타낸다. 날개가 4개인 프로펠러 팬은 날개가 2개인 것에 비해 종와 주변의 와도가 크고 옆 날개와의 거리가 짧아 옆 날개의 압력면과 간섭이 심하다. [그림 5]에서 날개가 4개인 프로펠러 팬의 날개 끝 후연 부근의 정합 변동이 큰 것은 날개 끝 소용돌이와 옆 날개의 압력면과의 간섭이 강하다는 것을 나타낸다.

이와 같이 종와는 옆 날개의 정압변동에 강한 영향을 미친다고 할 수 있다. Curle 식에서 소음은 벽면의 정합변동에 기인하기 때문에 날개 끝 소용돌이는 공력 소음에 큰 영향을 준다. 날개가 2매인 프로펠러 팬은 날개가 4개인 프로펠러 팬에 비해 종와가 날개 사이를 통과하는 궤적이 길고 날개 간 핀치가 넓어 옆 날개와 간섭이 억제된다. 즉 날개면의 정압변동이 억제된다. 그러므로 날개가 2개인 프로펠러 팬은 날개가 4개인 프로펠러 팬에 비해 소음이 적다고 할 수 있다.

연구 결과 프로펠러 팬에 대해서는 날개 끝 소용돌이가 날개 간 유동에서 지배적인 요인이라는 것을 확인했다. 이에 날개가 2개인 프로펠러 팬은 날개끝 소용돌이와 옆 날개의 간섭이 억제되어 저 소음화를 실현할 수 있음을 알게 되었다. 이러한 연구를 통해 기존에는 하기 어려웠던 소음의 정량적인 예측과 소음 저감을 위한 분석이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

이에 의해 제품 설계 시 시제품 제작 비용 절감과 제품의 설계 사이클의 단축에 공헌할 수 있을 것으로 기대된다. 게다가 앞으로 소음의 정량 예측과 유체 최적화 알고리즘으로 최적 설계가 가능할 것으로 전망된다. 이러한 기술의 제품 설계에 널리 활용되기 위해서는 더 많은 케이스(타 형상, 타 형식)의 벤치마킹의 실시와 성능이나 소음 이외의 유동 상세데이터의 설계로의 반영 방법의 검토 등이 필요하다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

<저작권자 © 에너지설비관리, 무단 전재 및 재배포 금지>

한국에너지정보센터의 다른기사 보기
icon인기기사
기사 댓글 0
전체보기
첫번째 댓글을 남겨주세요.
여백
여백
여백
여백
Back to Top