Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. 30 November 2021. 555-565
https://doi.org/10.7776/ASK.2021.40.6.555

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 대상 팬 시스템 분석

  •   2.1 대상 팬 시스템

  •   2.2 대상 팬 시스템 유동실험

  •   2.3 대상 팬 시스템 소음실험

  • III. 수치해석

  •   3.1 수치기법 및 해석격자

  •   3.2 수치기법 유효성 검증

  •   3.3 대상 팬 시스템 유동장 분석

  • IV. 최적설계

  •   4.1 설계 변수 선정

  •   4.2 최적화 기법

  •   4.3 개선모델 수치적 분석

  •   4.4 최적모델 시제품 평가

  • V. 결 론

I. 서 론

최근 냉장고는 신선한 음식을 보관하는 냉장고의 고유 기능은 물론 Internet of Things(IOT)를 탑재한 냉장고가 개발되며 편리한 일상생활을 추구하는 현대인에게는 필수적인 가전기기로 자리매김하고 있다. 하지만 이러한 편리한 기능들 보다, 소비자들은 여전히 냉장고 본연의 기능인 냉장 및 냉동 성능과 더불어 소음성능을 구매 의사를 결정하는 중요한 평가 지표로 활용하고 있다. 이러한 냉장 및 냉동 성능과 소음성능은 냉장고 내부의 팬 시스템에 의해 크게 영향을 받는다.

팬 시스템의 경우 유동 토출 방향에 따라 원심팬시스템과 축류팬 시스템으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 유동 흡입부로 들어온 유동을 수직한 방향으로 토출하는 특징을 가진 원심팬을 대상으로 한다. 원심팬의 경우 축류팬과는 달리 팬이 독립적으로 사용되지 않고, 스크롤 하우징이나 덕트와 함께 사용된다. 그러므로 원심팬 시스템 성능을 개선하기 위해 날개형상을 포함하여 스크롤 하우징과 덕트 형상 개선에 관한 많은 연구들이 진행되어왔다. Shin et al.[1]은 냉장고 얼음 제조 원심팬 시스템의 성능향상을 위하여 덕트 곡률부 형상 개선을 통한 성능개선에 관한 연구를 수행하였으며, Shin et al.[2]은 날개 형상만을 변경하여 성능을 개선하기 위해 냉장고 냉기 순환용 원심팬의 유동특성을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)를 통해 분석하고, 허브 밑단에서 발생하는 강한 와류구간을 개선한 바 있다. Heo et al.[3]은 원심팬의 날개 뒷전 형상에 대해 S자 형상을 적용하여 저소음설계안을 제시하였으며, Shin et al.[4]은 날개 형상 변수 중 입구각, 출구각, 내경을 대상으로 반응표면법을 적용하여 원심팬 성능을 최적화하는 연구를 진행한 바 있다. Choi et al.[5]은 의류 건조기 원심팬에서 발생하는 공력소음을 저감하기 위해 스크롤 하우징 및 덕트 형상을 포함한 전체적인 공기배출시스템에 대하여 전산유체역학을 사용하여 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)방정식을 풀고, Ffowcs Williams and Hawkins(FW-H)를 통한 소음예측을 통해 소음 저감에 관한 연구를 진행한 바 있다. Kim et al.[6]은 청소기 내부에서 고속으로 회전하는 사류팬에 대하여 임펠러 코드 중간부에서 급격한 곡률 변화로 인해 발생하는 와류를 저감하여 성능개선에 관한 연구를 진행하였다. Lee et al.[7]은 실내 공기청정기에 사용되는 원심팬 성능을 개선하기 위해 스크롤 형상과 날개형상에 관한 7가지 변수에 대해 최적화 기법으로 다구찌 실험계획법을 적용하여 성능개선에 관한 연구를 진행하였다. 특히 공력소음을 효율적으로 예측하기 위해 Lee et al.[7]은 가정용 냉장고에 사용되는 원심팬의 저소음 설계를 위해 원심팬과 스크롤 하우징 사이의 간극(Cut-off)를 개선 설계 인자로 복합전산음향학(Hybrid computational Aeroacoustics, CAA)을 사용하여 날개 깃 통과주파수(Blade Passing Frequency, BPF)를 예측하여 저소음 설계안을 제시하였으며, 실험값과 비교를 통해 복합전산음향학이 공력소음을 효율적으로 예측하는 것을 확인하였다. 또한, Heo et al.[8,9,10]은 원심팬의 순음소음과 광대역 소음을 효율적으로 예측하기 위하여 복합전산음향학과 Unsteady-Fast Random Particle Mesh(U-FRPM)기법을 결합하여 사용하는 방법을 제안하였다. 하지만 이러한 선행연구들은 유로 시스템이 비교적 간단하여 팬 단품만을 고려하거나, 유동 흡입부와 토출부가 단일로 구성된 유로 시스템에 대해 주로 연구되어왔다.

본 연구에서는 냉장고 냉기순환용 원심팬 및 한 개의 유동 흡입부와 여섯 개의 유동 토출부로 구성된 유로 시스템을 포함한 전체 팬 시스템에 대하여 유동성능 및 소음성능을 개선하고자 한다. 팬 시스템 성능을 개선하기 위하여 선행연구[2,4,5]에서 활용하여 검증된 유동과 소음해석 방법을 활용하여 수치적 및 실험적으로 대상팬의 성능을 평가하였으며, 실제 제약조건을 고려한 설계범위 내에서 날개 입구각 및 출구각을 개선인자로 선정하여 유량성능을 목적함수로 2인자 중심합성법을 적용하였다. 이를 통해 유량성능이 최대가 되는 날개 입구각 및 출구각을 도출하였으며, 해당 인자를 적용한 최적 모델에 대하여 수치적 및 실험적으로 유동성능과 소음성능이 개선되는 결과를 제시하였다.

II. 대상 팬 시스템 분석

2.1 대상 팬 시스템

본 연구에 대상이 되는 원심팬의 형상은 Fig. 1(a)와 같다. 해당 팬은 9개의 날개를 가지며, 지름 140 mm를 가진 후향익 원심팬이다. 이는 Fig. 1(b)와 같이 1개의 유동 흡입구와 6개의 유동 토출부를 가진 하우징에 결합되어 냉각된 공기를 냉장실과 냉동실에 순환하는 역할을 담당한다. 실제 해당 팬 시스템의 경우 작동조건에 따라 냉동실과 냉장실에 냉기를 순환하는 역할을 수행하지만, 본 연구에서는 냉동실의 냉기만 순환되는 작동조건을 적용하여 수행하였다.

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Fig. 1.

(Color available online) Geometries of (a) fan blades and (b) overall centrifugal fan system.

2.2 대상 팬 시스템 유동실험

대상팬 시스템의 유량 성능을 실험적으로 평가하기 위해 노즐 양단의 압력차(△P)를 측정하여 유량을 계산하는 원리인 팬 성능시험기를 사용하였다. AMCA 210-07 규정을 충족시키는 팬 성능 시험기를 사용하였으며, 실험에 사용된 팬 성능 시험기 개략도와 대상 시스템의 유량 평가 실험 사진을 Fig. 2에 나타내었다. 팬 성능 시험기는 0.6 m × 0.6 m × 1.5 m의 크기를 가지며 크기가 다른 5개의 노즐을 사용하여 0.016 CMM ~ 9.47 CMM 범위 사이의 유량을 측정할 수 있는 계측기다. 본 연구에서는 팬 성능 시험기의 2가지 작동모드 중 흡입모드를 사용하였으며, 대상팬을 960 RPM으로 작동시켜 P-Q선도를 측정하였다. 오차를 줄이기 위하여 총 3번 반복실험 후 평균값을 사용하였다.

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Fig. 2.

(Color available online) (a) Schematic view of fan performance tester and (b) photograph of fan performance tester during experiment for centrifugal fan system.

2.3 대상 팬 시스템 소음실험

소음성능 실험은 4 m × 4 m × 2.7 m의 반무향실에서 진행하였다. Fig. 3의 해당 반무향실은 배경 소음이 20 dBA 미만이며, 차단 주파수는 125 Hz이다. 실험은 반무향실의 차단 주파수를 고려하여 126 Hz ~ 2000 Hz 대역의 음압레벨을 고려하였으며, 음압은 대상팬의 전방 1 m, 후방 1 m의, 수직 1 m 위치에서 측정하였다. 소음실험에 사용된 신호처리 기법 및 실험 장비는 Table 1을 통해 나타내었다. 실험전 1 kHz, 94 dB 음압신호를 이용하여 전체 측정시스템을 교정하였다.

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Fig. 3.

(Color available online) Experimental setup in semi-anechoic chamber for evaluation of noise performance of centrifugal fan system.

Table 1.

Signal processing setup and equipment for experiment.

Signal processing setup and equipment
Sampling frequency [Hz] 25600
Overlap [%] 80
Average count [ea] 61
Window function Hanning
Microphone Bruel&Kjaer
FFT analyzer LMS Test lab

III. 수치해석

3.1 수치기법 및 해석격자

본 연구에서는 원심팬 시스템의 유동특성 및 소음특성을 수치적으로 예측하고, 유동장을 분석하기 위하여 3차원 비압축성 RANS방정식을 전산유체역학에 기초하여 수행하였다. 사용된 상용 프로그램은 Ansys Fluent이며 지배방정식은 다음과 같다.

(1)
ujxj=0.
(2)
ρt(ui)+ρujxj(ui)=-Pxi+μxjuixj+ujxi+xj-ρui'uj'¯.

수치해석은 정확한 유동특성 분석을 위해 실제 실험과 유사한 실험 환경을 모사한 가상 팬 성능 시험기 계산영역(Virtual Fan Performance Tester, VFPT)을 Fig. 4와 같이 약 2100만개의 사면체 격자를 사용하여 구축하였다. 경계조건으로는 실제 실험 조건과 동일하게 입구부 및 출구부에 대기압 조건을 적용하였다. 난류 모델로는 선행연구[4,5]를 통하여 팬 시스템의 수치해석 시 높은 정확도를 예측한 RNG k-epsilon 모델을 사용하였다. 또한 유동 수치해석을 통해 도출한 유동장을 입력값으로 다음식과 같은 Ffowcs Williams and Hawking(FW-H) 적분방정식 적용하여 소음성능을 예측하였다.

(3)
4πc2Hρ'(x,t)=tSρvnr|1-Mr|dS(η)-xiSPijnjr|1-Mr|dS(η)+2xixjVTijr|1-Mr|d3η,

여기서 FW-H 방정식의 첫 번째 항은 시간 변화에 따른 체적변화에 기인한 단극자 소음원을 나타내며, 두 번째 항은 물체 표면의 압력 섭동에 의한 쌍극자 소음원, 세 번째 항은 난류 섭동에 의한 사중극자 소음원을 나타낸다. 사중극자 소음원의 경우 마하수가 작을 때에는 사중극자 소음원의 기여도가 단극자 소음원과 쌍극자 소음원에 비해 매우 낮으므로 Eq. (3)의 세 번째 항은 고려하지 않았으며 또한, 표면적분은 날개 표면을 대상으로 수행하였다.

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Fig. 4.

(Color available online) Computational domain of virtual fan tester.

3.2 수치기법 유효성 검증

본 연구에서 사용된 VFPT 계산영역과 수치기법의 유효성을 검증하기 위하여 앞서 2.2 ~ 2.3절에서 진행한 실험 및 수치해석 수행 시 도출한 P-Q선도와 음압스펙트럼을 비교하였다. 먼저 유량성능의 경우 실험과 수치해석에서 동일하게 무부하점에서의 유량값을 개선 기준이 되는 유량성능으로 정의하였으며, Fig. 5(a)을 통해 실험과 수치해석 결과값을 비교 시 약 24 %의 차이가 존재하였다. 이러한 차이는 계산 영역에 포함된 덕트 내부 유동의 벽면 경계층 유동에서 발생하는 손실을 수치해석 모델에서는 충분히 고려하지 못하고 CAD 모델링 과정 중 일부 단순화에 기인하는 것으로 판단된다. 하지만 압력이 높아질수록 유량성능이 낮아지는 전반적인 경향은 수치해석 모델이 실험값을 잘 따라감을 확인할 수 있다. 따라서, 다음장에서 진행할 팬 날개 형상에 따른 상대적 유량 변화는 본 수치모델에서 충분히 고려할 수 있을 것으로 판단된다. Fig. 5(b)에서는 예측한 음압스펙트럼을 측정값과 비교하였다. 해당 팬 시스템의 날개 개수와 회전속도의 곱으로 결정되는 BPF 신호는 144 Hz이며, 측정과 예측한 음압 스펙트럼 모두에서 BPF 성분의 2차까지 명확히 나타남을 확인할 수 있다. 또한 2000 Hz 까지 전반적인 광대역 소음의 경향성이 잘 일치함을 확인할 수 있다. 일부 저주파수 대의 광대역성분의 큰 차이는 RANS 방정식이 Navier-Stokes 방정식의 시간평균을 통하여 coherent한 난류구조만 고려하기 때문인 것으로 알려져 있고, 이러한 음압스펙트럼의 보다 정확한 예측을 위해서는 랜덤한 난류유동을 해석할 수 있는 LES계열의 유동수치해석 모델이 필요하다. 하지만 본 연구에서는 유량을 최대화하는 최적설계를 통해 동일유량에서 소음을 저감시키는 방법론을 사용하기 때문에 수치모델의 효율성을 고려하여 설계변수 변화에 따라 변화하는 유량성능을 평가하기 위한 도구로서 유효한 VFPT 계산영역과 수치기법으로 판단했다.

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Fig. 5.

(Color available online) Comparison result of experiment and numerical simulation with (a) P-Q curve (b) spectrum of pressure level.

3.3 대상 팬 시스템 유동장 분석

본 절에서는 수치해석을 통해 도출한 유동장을 통해 해당 팬 시스템의 유동 특성을 분석하였다. 원심팬의 경우 유동의 흡입방향과 토출방향이 수직을 이루는 특성을 가지므로, 유동의 급격한 변화가 발생하는 깃 사이의 유동장을 분석하기 위해 Span 방향의 50 % 지점의 유동장을 추출하여 분석하였다. Fig. 6(a)를 통하여 Leading edge부에서 강한 와류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 와류는 유동에서는 유동성능을 감소시키고, 소음에서는 소음원으로 작용하여 전체적인 팬시스템의 성능을 저하시킨다. 또한, Fig. 6(b),(c)를 통하여 Leading edge에서 저속, 저압 구간이 존재하는 것을 확인하였다.

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Fig. 6.

(Color available online) Iso-contours of (a) magnitude vorticity, (b) radial velocity, (c) static pressure around fan blade at cross-sectional plane of half span.

IV. 최적설계

4.1 설계 변수 선정

3.3절에서 확인한 와류구간 저감을 통한 유동 및 소음성능을 개선하기 위해 날개 입구각 및 출구각을 개선인자로 선정하였다. 선정한 개선인자의 유효성을 검증하기 위하여 4가지의 시험 케이스에 대하여 먼저 유동 수치해석을 진행하였다. 4가지의 시험 케이스에 대한 정의는 Table 2와 같이 정의하였으며, 입구각과 출구각이 각각 구조상 설계 가능한 범위 내에서 최대와 최소가 될 때로 정의하였다. 유동수치해석을 통해 도출한 유량 성능은 Fig. 7과 같다. 이는 입구각은 감소할수록, 출구각은 증가할수록 유량성능이 개선되는 결과를 보여준다. 입구각과 출구각이 팬 시스템에 미치는 기여도를 평가를 위하여 유동장을 분석하였다.

Table 2.

Definition of test cases about blade inlet and outlet angles.

Model Inlet angle [°] Outlet angle [°]
Original 𝜃 𝜆
Case1 𝜃 𝜆
Case2 𝜃-23 𝜆
Case3 𝜃 𝜆+6.8
Case4 𝜃 𝜆-7.4

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Fig. 7.

(Color available online) Predicted flow performance about the test cases.

먼저 Figs. 8, 9, 10에서 입구각만이 변화한 Case1~2의 경우에 대하여 반경방향 속도, 와류강도, 정압에 대한 유동장을 차례대로 비교하였다.

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Fig. 8.

(Color available online) Comparison of iso- contours of radial velocity between (a) case1, (b) original, and (c) case2.

Fig. 8의 반경방향 속도 유동장을 통하여 입구각이 감소할수록 익형 앞전(Leading edge)에서 발생하는 저속구간이 감소하는 것을 확인할 수 있으며 유량성능과 직결되는 반경방향 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Figs. 9, 10의 와류강도와 정압 유동장에서 입구각이 감소할수록 앞전에서 발생하는 강한 와류구간과 저압구간이 감소하는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 9.

(Color available online) Comparison of iso- contours of vorticity magnitude between (a) case1, (b) original, and (c) case2.

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Fig. 10.

(Color available online) Comparison of iso- contours of static pressure between (a) case1, (b) original, and (c) case2.

다음으로 Fig. 11는 출구각만이 변화한 Case3 ~ 4의 경우에 대하여 반경방향 속도에 대한 유동장이다. 유동장은 각 날개의 뒷전(Trailing edge)를 지나는 원통형상을 평면으로 펼친 형상이다. Fig. 11를 통하여 출구각이 증가할수록 4, 5번 구역과 8, 9번 구역에서 강한 역방향 유동이 증가하지만, 유량 성능이 개선되는 것을 확인되었다. 이는 출구각이 증가함에 따라 반경방향 속도가 증가하여 유동이 하우징 벽면에 도달한 후 반사되어 돌아오는 현상임을 Fig. 12을 통해 확인하였다.

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Fig. 11.

(Color available online) Comparison of iso- contours of radial velocity contours between (a) case3, (b) original, and (c) case4.

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Fig. 12.

(Color available online) Distribution of velocity vectors on cross-sections of ① and ② for case3.

4.2 최적화 기법

4.1절을 통하여 날개 입구각 및 출구각이 개선인자로서 유효함을 확인하였다. 본 절에서는 유량 성능 및 소음성능을 개선하기 위하여 날개 입구각 및 출구각을 대상으로 반응표면법(Response Surface Method, RSM) 을 적용하였다. 반응표면법은 하나 이상의 반응 변수와 실험 요인들 사이의 관계를 조사하는데 사용되는 방법이다. 반응표면법의 경우 중심합성계획법과 Box_Behnken법이 있다. 본 연구에서는 반응표면기법 중 중심합성계획법을 사용하였다. 중심합성법은 적은 횟수의 실험으로 반응량의 곡면적인 변화를 추정하기 위해 2k요인실험법에 축점과 중심점을 추가시킨 방법이다. 중심합성계획법을 적용하기 위해 필요한 실험 모델수는 아래식을 통해 정의된다.

(4)
n=2k+2k+n0.

Eq. (4)의 k는 인자수를, n0는 중심점 반복횟수를 나타내며, 본 연구에서는 날개 입구각 및 출구각을 설계 변수로 구조상 설계 가능한 범위를 고려하여 9개의 실험 모델을 Table 3와 같이 정의하였다.

Table 3.

Definition of 9 cases for RSM about blade inlet and outlet angle.

Case Level Angle
Inlet [A] Outlet [B] Inlet [°] Outlet [°]
Case1 0 0 𝜃-8 𝜆-0.3
Case2 -1 -1 𝜃-18.6 𝜆-5.3
Case3 1.414 0 𝜃+7 𝜆-0.3
Case4 -1 1 𝜃-18.6 𝜆+4.7
Case5 1 -1 𝜃+2.6 𝜆-5.3
Case6 -1.414 0 𝜃-23 𝜆-0.3
Case7 0 1.414 𝜃-8 𝜆+6.8
Case8 0 -1.414 𝜃-8 𝜆-7.4
Case9 1 1 𝜃+2.6 𝜆+4.7

다음으로는 9개의 모델에 대하여 수치해석을 진행하여 각각의 유량성능을 예측하였다. 9개의 모델에 대하여 예측한 유량성능을 입력값으로 중심합성계획법을 적용하여 도출한 회귀방정식 아래식에서 나타내었다.

(5)
VFR=1.023-0.01838A+0.02134B-0.00769A2-0.00219B2-0.00225AB.

도출한 회귀방정식은 날개 입구각 및 출구각에 따른 유량성능 사이의 관계를 나타낸다. 이러한 회귀방정식을 통하여 최대 유량을 나타내는 최적의 입구각 및 출구각을 도출할 수 있다.

Fig. 13에서 회귀방정식에 대한 입구각과 유량, 출구각과 유량 사이의 관계를 나타냈었다. 그래프를 통하여 현재 입구각보다 더 작은각에서, 현재 출구각보다 더 큰 출구각에서 최대 유량이 발생하는 것을 알 수 있고, 두 각을 동시에 고려할 경우 대상팬 대비 최대 4.7 % 유량이 증가하는 입구각과 출구각을 도출하였다.

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Fig. 13.

(Color available online) Regression graph of volume flow rate versus inlet and outlet angles.

4.3 개선모델 수치적 분석

본 절에서는 앞에서 도출한 최적의 각도를 적용한 팬을 최적팬으로 명명하고, 최적팬 시스템에 대해 3.1절에서 정립한 기법을 통하여 회전속도 960 RPM에서 수치적으로 유량 성능 및 소음성능을 예측하였다. 수치해석 결과는 Table 4과 같으며, 유량성능은 대상팬 대비 0.05 CMM(+4.9 %) 증가하고 소음성능의 경우 Fig. 14에서 제시한 예측한 음압스펙트럼을 통해 1차 BPF 및 2차 BPF성분이 대상팬보다 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 광대역 소음의 경우 최적팬 전방에서 3.1 dBA저감되는 성능을 예측하였다.

Table 4.

Comparison of numerical results for volume flow rate and sound pressure levels between original and optimum models.

Factor Original fan Improved fan
Flow Rate [CMM] A A+0.05 (+4.9 %)
1st BPF [dBA] B B-1.8
2nd BPF [dBA] C C-8.4
Overall SPL [dBA] D D-3.1

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Fig. 14.

(Color available online) Comparison of predicted sound pressure level spectrum between original and optimum models.

다음으로 최적팬의 유동특성 분석을 위해 도출한 유동장을 분석하였다. 최적팬의 경우 입구각이 감소하여 날개 앞전에서 발생하는 강한 와류 분포가 저감됨을 Fig. 15를 통해 확인하였으며, Fig. 16을 통해 반경반향 속도 증가 및 저속구간이 감소하므로 인해 익형 표면의 속도 분포가 균일해지는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 15.

(Color available online) Comparison of predicted vorticity distribution between (a) original and (b) optimum models.

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Fig. 16.

(Color available online) Comparison of predicted radial velocity distribution between (a) original and (b) optimum models.

또한, Fig. 17을 통해 저압구간이 감소하며 압력분포가 균일해지는 것을 확인할 수 있다. 반면 출구각은 증가하여 Fig. 18의 1, 2 구역에서 기존팬보다 역유동이 강해지는 것을 알 수 있지만 4, 5구역에서 속도성분이 증가하여 전체적으로 유량이 증가하는 것으로 판단된다.

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Fig. 17.

(Color available online) Predicted static pressure about (a) original fan, (b) improved model.

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Fig. 18.

(Color available online) Predicted radial veloicity about (a) original fan, (b) improved model.

4.4 최적모델 시제품 평가

마지막으로, 수치적으로 개선된 성능을 확인한 최적팬의 실제 성능 평가를 위하여 시제품을 제작하여 유량실험 및 소음 실험을 진행하였다.

Table 5에서 측정한 유량과 음압을 요약하여 비교하였다. 팬 성능시험기를 사용하여 유량 실험을 진행한 결과 수치해석을 통해 예측한 결과와 동일하게 대상팬보다 0.05 CMM(+6 %) 개선되는 유량성능을 확인하였다. 소음성능의 경우 음압스펙트럼을 Fig. 19을 통해 비교하였으며, 최적팬의 소음성능의 경우 대상팬의 1차, 2차 BPF 성분과 비교하였을 때 동등 수준이거나 저감되는 소음성능을 확인하였으며, 전체적인 소음성능이 0.9 dBA 저감되는 것을 확인하였다.

Table 5.

Comparison of measured results for volume flow rate and sound pressure levels between original and optimum models at the same rotation speed of 960 RPM.

Factor Original fan Improved fan
Flow rate [CMM] A A+0.05 (+6.0 %)
1st BPF [dBA] B B+0.61
2nd BPF [dBA] C C-1.71
Overall SPL [dBA] D D-0.9

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ask/2021-040-06/N0660400603/images/ASK_40_06_03_F19.jpg
Fig. 19.

(Color available online) Comparison of measured SPL spectrum between original and optimum models at the same rotation speed of 960 RPM.

개선된 팬 시스템의 객관적 성능을 대상팬과 비교하기 위해서는 동일 유량 및 소음성능에서 비교하는 것이 합리적이다. 본 논문에서는 동일 유량에서의 소음성능을 대상으로 최적팬의 최종 성능을 평가하였으며, Table 6에 나타낸 바와 같이 최적팬은 904 RPM에서 대상팬과 동등한 유량성능을 가진다. 따라서 904 RPM에서 소음실험을 진행한 결과는 Fig. 20와 같다. 최적팬의 소음성능은 1차, 2차 BPF에서 전반적으로 저감하거나 동등한 수준의 소음성능을 확인하였으며, 전체적인 소음성능의 경우 대상팬 대비 2.9 dBA 저감되는 결과를 확인하였다.

Table 6.

Comparison of measured results for volume flow rate and sound pressure levels between original and optimum models at the same volume flow rate.

Factor Original fan Improved fan
RPM 960 904
BPF [Hz] 144 135.6
Flow rate [CMM] A A
1st BPF [dBA] B B-1.10
2nd BPF [dBA] C C+0.32
Overall SPL [dBA] D D-2.9

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ask/2021-040-06/N0660400603/images/ASK_40_06_03_F20.jpg
Fig. 20.

(Color available online) Comparison of measured SPL spectrum between original and optimum models at the same volume flow rate.

V. 결 론

본 연구에서는 냉장고 냉기순환용으로 사용되는 원심팬 시스템의 고성능/저소음화를 위하여 최적 설계 연구를 진행하였다. 대상 원심팬 시스템은 전형적인 원심팬 스크롤 형상이 아닌 두 개의 볼루트 형상을 통하여 반지름 방향으로 유동을 토출 시키는 특성을 가지고 있다. 먼저 팬 성능 시험기와 무향실에서 대상 원심팬 시스템의 유량과 소음 성능을 실험적으로 평가하였다. 시험 모델에 대해 수치해석을 진행하여 유량성능을 예측하였으며, 입구각과 출구각이 변화함에 따라 변화하는 유동특성을 확인하여 개선인자로서의 입구각과 출구각의 유효성을 확인하였다. 다음으로 입구각과 출구각에 대한 유량성능을 목적함수로 반응표면기법을 적용하여 최적의 입구각 및 출구각을 도출하였다. 그 결과, 최적팬의 경우 수치해석을 통해 유량성능이 0.05 CMM (4.9 %) 개선되고, 전체적인 소음성능이 3.1 dBA 저감하는 성능을 예측하였다. 이러한 결과를 기반으로 실제 성능 평가를 위하여 시제품을 제작하여 유량 실험 및 소음 실험을 진행하였다. 유량 실험을 진행한 결과 대상팬과 비교하여 0.05 CMM(6 %) 개선되는 유량성능을 확인하였으며, 동일 유량성능에서 소음 실험을 진행한 결과 최종적으로 최적팬의 소음 성능이 전방에서 2.9 dBA 감소하는 결과를 확인하였다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부가 지원하는 조선해양산업핵심기술개발사업(20012974)으로 수행된 연구결과임.

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