I. 서 론
II. 연구 방법
2.1 유량 성능 시험
2.2 소음 성능 시험
2.3 무향 팬 성능시험기
2.4 수치 해석적 방법
2.5 연구 대상
III. 시험 및 수치해석
3.1 유동 및 소음 시험 결과
3.2 수치 해석 결과
IV. 결 과
I. 서 론
팬 시스템은 가전제품 내에서 유동 순환과 열 교환을 담당하는 핵심 장치인 동시에, 주요 소음원으로 작용한다. 특히 의류 건조기에서는 팬 시스템이 공기 흐름을 유도하는 중심 부품으로서, 제품의 전반적인 성능과 소음 특성에도 직접적인 영향을 미친다. 이에 따라 제품 개발 초기 단계에서 팬의 유량 성능 및 유동 소음을 평가할 수 있는 해석 및 시험 기법의 중요성이 점차 대두되고 있다. 이러한 기술적 요구를 반영하여, 팬 시스템의 유동 성능 향상과 소음 저감을 위한 다양한 연구들이 활발히 수행되어 왔다.
Choi et al.[1]은 의류 건조기 내 원심팬 시스템을 대상으로 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 전산공력음향학(Computational Aero Acoustics, CAA)을 결합한 복합 해석기법을 통해 유동 소음을 예측하였다. Jung et al.[2]은 냉장고 냉동실 냉기 순환용 후향익 원심팬 시스템을 대상으로 유량 및 소음 성능을 예측하기 위한 가상 팬 테스터를 수치적으로 모사하였다. 또한 원심팬 날개 형상을 최적화 설계하기 위해 반응표면기법을 활용하였으며 유량이 최적화되는 입구 각 및 출구 각을 도출하였다. Ryu et al.[3]은 에어컨 실외기 축류팬을 대상으로 2D 캐스케이드 기법을 통해 성능 향상 연구를 수행하였다. Neise[4]은 팬 외경과 Cut-off 간 거리에 따른 소음 관계를 실험적으로 분석하였다. 기존의 선행 연구들은 팬 시스템을 대상으로 전산유체역학 및 전산공력음향학을 활용하여 유동 및 소음 성능을 분석하고 이를 개선한 사례로 분류된다. 그러나 대부분의 연구가 팬 스크롤 단품을 기준으로 수행되어, 실제 유로 내 주요 유동 저항체인 열교환기의 영향을 충분히 반영하지 못하였고, 이로 인해 제품 수준에서의 소음 성능 예측에 있어 정확도에 한계를 보이는 문제점이 존재한다.
본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자, 실제 제품과 유사한 열교환기 및 유로 형상을 포함하는 팬 스크롤 모듈 시스템을 구성하고, 다양한 팬 형상을 동일 조건에서 비교할 수 있는 무향 팬 시험 기반의 실험 기법을 제안한다. 이를 통해 개발 초기 단계에서 팬 형상에 따른 소음 특성의 상대적 차이를 평가하고, 고유량·저소음 특성을 지닌 최적의 팬 형상을 선별할 수 있는 기반을 마련하고자 한다. 또한, 단품 시스템과 모듈 시스템 간 소음 특성 차이를 비교할 수 있는 실험법을 제시하고, 그 원인을 수치해석을 통해 이론적으로 규명한다.
II. 연구 방법
2.1 유량 성능 시험
본 연구에서는 팬 시스템의 유량 성능을 분석하기 위해 팬 성능 시험기 장비를 이용한다. 국제 표준 기구인 AMCA 210-16[5] 규격에 따라 설계되었으며 유량 측정 범위는 0 CMM ~ 30 CMM, 4개의 노즐을 사용하며, 측정 정압 범위는 0 mmAq ~ 150 mmAq 수준이다. 정압 측정 방식은 흡입 모드를 이용하여 측정하며 팬 성능 곡선인 P-Q 곡선을 도출할 수 있는 장비이다. 자세한 성능 지표는 아래 Table 1에 도시한다.
Table 1.
Fan performance tester.
| Item | Specification |
| Standard | AMCA 210-16 |
| Flow measure range [CMM] | 0 ~ 30 |
| Static pressure range [mmAq] | 0 ~ 150 |
| Nozzle diameter [mm] | 45 mm, 55 mm, 70 mm, 100 mm |
| Measure mode | Supply mode |
2.2 소음 성능 시험
본 연구에서는 팬 시스템의 유동 소음 성능을 측정하기 위해 반무향실 시설을 이용한다. 반무향실은 가로, 세로, 높이 5.2 m × 5.2 m × 4 m의 크기로 팬 스크롤 단품 및 모듈 시스템의 토출부에서의 후류를 충분히 소산할 수 있는 충분한 크기를 가진다. 해당 반무향실의 배경소음은 20 dB 이하이며, 0 Hz ~ 10,240 Hz 대역의 주파수 범위를 분석한다. 마이크로폰 위치는 국제 표준 규격 IEC 60704-2-6[6]에 의거하여 6개의 마이크로폰으로 직육면체를 구성하여 면적에 대한 음향파워레벨을 측정한다. 상세 신호처리 기법은 Table 2에 도시한다.
Table 2.
Signal processing setup for noise test.
| Item | Specification |
| Standard | IEC 60704-2-6 |
| Sampling rate [Hz] | 10,240 |
| Window function | Hanning |
| Signal processing equipment | Siemens testlab |
| Weighting | A-Weighting |
2.3 무향 팬 성능시험기
본 시험기는 팬 시스템의 유량 성능을 측정하는 팬 성능시험기와 소음 성능을 측정하는 반 무향실을 하나의 통합된 시스템으로 구성한 장비이다. 유량 측정실과 반무향실을 연결하는 덕트 시스템은 AMCA 210-16[5] 규격을 준수하여 직경 300 mm, 길이 3 m의 제원을 가지며, Fig. 1에 도시하였다. 또한, 반 무향실과 연결된 전체 시험기의 설치 레이아웃은 Fig. 2에 나타내었다. 또한 팬 성능시험기와 반 무향실은 각각 독립적으로도 운용이 가능하다.
2.4 수치 해석적 방법
본 절에서는 원심팬시스템의 유동 소음을 정밀하게 예측하기 위하여 전산유체역학과 전산공력음향학을 연계한 복합 수치해석을 수행하였다. 해석 프로그램으로 ANSYS Fluent v23을 사용하였으며, 지배 방정식으로는 비압축성 Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 이용하였으며 Eqs. (1)과 (2)에 도시하였다.
난류 해석에는 벽면 근처에서 정확한 예측이 가능한 k-ω 모델과 자유 유동 영역에서 적합한 k-ε 모델을 혼합한 Shear Stress Transport(SST) k-ω 모델을 채택하였다. 벽면 근처에서는 k-ω 모델, 자유 유동 영역에서는 k-ε 모델을 적용하는 혼합형 방식으로 구성되며, 벽 함수 없이도 복잡한 난류 구조를 정밀하게 예측할 수 있는 장점이 있다. 특히, 역압력 구배로 인한 박리나 임펠러 블레이드 인근의 난류 구조 예측에 우수한 성능을 보이는 것으로 선행 연구되었다.[7] 유동 소음 예측을 위해 FfowcsWilliams & Hawkings(FW-H) 방정식을 적용하였다.
본 연구에서 대상 팬의 날개 끝단 속도를 고려한 마하수는 약 0.07 수준으로, 이는 일반적으로 난류에 의한 유동 소음 영향도가 낮은 저속 유동 영역(Ma < 0.3)에 해당한다. 이에 따라 FW-H 방정식 적용 시 난류 소음에 주로 기여하는 사중극자 항은 제외하였으며, 수정된 형태의 방정식은 Eq. (3)에 제시하였다. 또한, 상용 해석 소프트웨어인 ANSYS Fluent v23 역시 기본적으로 사중극자 항을 제외한 형태의 FW-H 방정식을 제공하고 있다.
Fig. 3은 본 연구에서 수행된 팬 시스템의 소음 해석을 위한 수치 모델링 형상을 제시한 것이다. (a)에는 팬과 스크롤로 구성된 단품 시스템과, 열교환기 및 유로 구조를 포함한 모듈 시스템의 형상이 각각 도시되어 있으며, 이를 통해 팬 형상 및 유로 구성에 따른 유동장 및 소음 특성을 비교 분석할 수 있도록 설계되었다. (b)는 FW-H 방정식을 적용하기 위한 음향 적분 면을 나타내며, 본 연구에서는 팬 및 열교환기 외곽을 둘러싸는 형태로 음향 표면을 설정하여 시간 영역에서의 압력 데이터를 기반으로 음향 신호를 추출하였다.
Fig. 4는 3차원 수치해석 도메인을 도시하였다. 해석의 신뢰성을 확보하기 위해 실험에서 운용된 팬의 유량 조건을 기반으로 입구 경계에는 Inlet velocity와 출구 경계에는 Outlet static pressure로 조건을 적용하였다. 도메인의 크기는 팬 중심으로부터 입·출구 방향 모두 15D 이상의 유동 거리를 확보하여, 난류 발달 및 다운스트림 영역에서의 와류 생성과 에너지 소산이 충분히 반영될 수 있도록 구성하였다. 격자는 약 2,800만 개의 사면체 격자로 구성되었으며, Nyquist 주파수를 고려한 해상도를 확보하기 위해 Sampling rate의 1/20 수준인 0 Hz ~ 500 Hz의 주요 유동 소음을 포착할 수 있도록 공간 격자 크기를 설정하였다. 이러한 격자 설정은 저주파 중심의 광대역 소음 특성을 분석하는 데 적절하도록 설계되었다.
2.5 연구 대상
앞서 제시한 실험 및 수치 해석 기반 예측 기법의 타당성을 검증하고자, 본 연구에서는 실제 팬 시스템을 대상으로 유동 소음을 분석하였다. 분석 대상은 의류 건조기 제품, 팬 스크롤 단품, 팬 스크롤 모듈의 세 가지 구성으로 구분하였으며, 이를 통해 다양한 조건에서 예측 기법 적용 가능성을 평가하였다. 유동 소음의 경향성을 보다 정밀하게 파악하기 위해, 동일 직경 원심팬을 기준으로 입구각과 출구각을 변수로 설정한 총 8종의 팬을 제작하여 실험에 적용하였다. 각 팬의 형상은 캠버 라인 중심 기준으로 정의된 캠버 앵글을 기반으로 설계되었으며, 특정 에어포일이 아닌 대칭 두께 구조를 채택하였다. 해당 형상에 대한 정보는 Fig. 5와 Table 3에 도시하였다. 이러한 구성은 다양한 유동 조건을 재현하고, 팬 형상에 따른 유동 소음의 변화를 계통적으로 분석하는 데 목적이 있다.
III. 시험 및 수치해석
3.1 유동 및 소음 시험 결과
의류건조기 시스템의 유동소음 특성을 비교·분석하기 위하여, 5.0 CMM의 동일 유량 조건에서 실험을 수행하였다. 의류건조기 제품, 팬 스크롤 단품, 모듈 시스템에 연구 대상인 8종의 팬을 각각 적용하였으며, 각 시스템의 유동소음을 측정하고 실험군 간 상관성을 평가하였다.
먼저, 제품과 팬 스크롤 단품 시스템 간의 유동 소음 결과를 Fig. 6에 제시하였다. 팬 스크롤 단품 실험에 적용된 다양한 팬 사례의 측정 결과는 실제 의류건조기 제품 소음과 상관관계를 보였으며, 이는 팬 스크롤 단품 실험이 제품의 유동 소음 특성과 일정 수준의 경향성을 나타낸다. 다만, Case 7의 경우 단품의 소음이 실제 제품보다 더 높게 나타났다.
해당 현상이 발생하는 원인을 파악하기 위해 스펙트럼 분석은 Fig. 7에 도시하였다. 팬 스크롤 단품 시스템에서는 0 Hz ~ 500 Hz 영역에서 팬 및 모터 소음의 톤(Tonal) 성분이 나타나며, 제품에서는 흡,차음 효과로 인해 이러한 성분이 제거된다. 따라서 팬 스크롤 단품 실험은 광대역 소음보다는 저주파 톤 성분의 영향이 과대 평가되는 경향을 확인하였다. 또한, 두 시스템에서 팬의 고유 주파수 특성인 날개통과 주파수(Blade Pass Frequency, BPF) 성분이 명확히 관측되는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 제품과 팬 스크롤 모듈 시스템 간 유동 소음 비교 결과는 Fig. 8에 도시하였다. 모듈 시스템의 유동 소음 특성은 제품과 높은 일치도를 나타내었으며 단품 시스템 대비 우수한 예측 신뢰도를 나타내었다. 이는 모듈 시스템이 제품과 유사한 유동 경로 및 구조적 특성을 반영함으로써 유사한 소음 특성을 나타낸 것으로 분석된다.
제품과 팬 스크롤 모듈 간의 소음 스펙트럼 비교는 Fig. 9에 도시 하였다. 팬 스크롤 모듈 시스템은 저주파 하모닉 성분보다 광대역 소음이 우세하게 나타났으며 이는 모듈 시스템이 제품의 구조적 특성을 잘 반영하여 전체 유동 소음 특성을 제품과 유사하게 있게 예측할 수 있다고 판단된다.
3.2 수치 해석 결과
본 절에서의 수치 도메인은 팬 스크롤 단품 시스템과 열교환기를 포함한 팬 스크롤 모듈 시스템을 대상으로 설정하였으며, 각 해석 결과는 실험 데이터를 기준으로 검증하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 유동장 내 구조적 차이에 따른 소음 특성의 원인을 수치해석을 통해 이론적으로 분석하고자 한다. 먼저, 팬 스크롤 단품 시스템에 대한 해석 결과는 Fig. 10에 도시되어 있으며, 특히 Case 7의 경우 실험 결과와 동일하게 유동 소음이 높게 예측되어 정합도가 높은 경향을 보였다.
Fig. 11에 도시된 스펙트럼 분석 결과에 따르면, 수치해석은 실험에 비해 전체 광대역 소음 레벨을 전반적으로 낮게 예측하는 경향을 보였으며, 반대로 BPF 하모닉 성분은 실험 대비 과도하게 예측되는 현상이 나타났다. 이러한 차이는 팬이 이상적인 조건에서 불균형 없이 회전하는 것으로 모사하므로 회전 주파수 성분이 실험보다 뚜렷하게 표현되며, 또한 FW-H 방정식은 경계면에서 음향 투과 특성을 지니고 있으므로 차음 효과를 고려하지 않기 때문에 해석이 실험에 비해 과대 예측되었다.
반면, Fig. 12는 모듈 시스템에 대한 실험 및 수치해석 결과를 비교한 것이다. 모듈 시스템에 적용된 팬들의 유동 소음 경향성은 R2 = 0.8086 수준의 상관계수를 나타냈으며, 팬 스크롤 모듈의 소음 실험 특성과의 정합도가 높게 분석되었다.
Fig. 13에 도시된 소음 스펙트럼 비교 결과에서는 수치해석과 실험 간의 전반적인 광대역 소음 분포가 유사한 형태를 보였으며, 주파수 전 구간에서 일관된 경향성을 나타내어 해당 수치해석 기법이 유동 소음 예측에 일정 수준의 신뢰성을 갖는 것으로 판단된다. 또한, Fig. 12와 마찬가지로 BPF 하모닉 성분에서는 수치해석 결과가 실험에 비해 과대 예측되는 특성이 반복적으로 관찰되었다.
팬 스크롤 모듈 시스템에서 발생하는 주요 소음의 발생 위치는 팬 표면 압력분포 해석을 통해 확인할 수 있다. Fan 출구부 및 스크롤 Cut-off 영역의 압력장은 Fig. 14에 도시하였다. 해당 영역에서는 압력장이 급격히 변화하는 양상이 나타났으며, 특히 Cut-off 영역에서는 팬 블레이드의 끝단에서 형성된 고압 유동과 스크롤 벽면에서 반사된 유동이 상호 충돌하면서 강한 국부 압력 섭동이 발생함을 확인하였다.
Fig. 15에 도시된 열교환기 배관 후면 영역은 팬 회전 방향 기준으로 팬 입구에 해당하며, 유속 감소와 압력 상승이 뚜렷하게 관찰된다. 이는 팬 흡입에 의해 유체가 정체되며 발생하는 압력 회복 현상으로, 정상적인 운전 조건에서 자연스럽게 발생하는 유동 특성이다. 이로 인해 형성된 정체 유동 영역에서는 와류가 생성되고, 특히 유로 비대칭이나 배관 형상에 따라 볼텍스 셰딩이 발생한다. 해당 현상은 주기적인 와류 방출 및 국소 압력 섭동을 유도하며, 이는 광대역 유동 소음의 주요 기인으로 작용한다. 특히 열교환기 후류에서 형성되는 불안정한 와류 구조는 카르만 와류열(Kármán vortex street)과 유사한 특성을 가지며, 이는 팬 로터에 작용하는 유동장의 비정상성을 증대시켜 광대역 소음을 유의미하게 증가시킨다고 발표 되었다.[8]
Fig. 16의 난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE)분포 결과에서도 이와 같은 난류 강도 증가 양상이 뚜렷하게 나타나며, 와류 집중 구간에서의 에너지 소산이 활발하게 발생함으로써 국소적인 압력 섭동 및 비정상 소음원의 형성이 확인된다.
Fig. 17에서는 열교환기 후류의 난류 에너지 분포를 3차원적으로 나타내었으며, 응축기와 증발기의 배관은 관경과 배열 형상의 차이에 따라 난류 강도와 분포 영역이 뚜렷하게 다르게 나타났다. 이 같은 구조적 차이는 후류 유동의 난류 특성과 소음 발생 양상에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 열교환기 후류의 정체 유동과 팬 흡입 유동의 상호작용이 저주파 소음 성분의 발생 또는 증폭을 유발할 수 있으며, 소음 발생 메커니즘의 분석에 중요한 변수임을 확인하였다.
IV. 결 과
본 연구에서는 의류 건조기 팬 시스템의 소음 특성을 평가하기 위한 실험 기법을 제안하고, 수치해석을 통해 그 타당성을 이론적으로 검증하였다. 열교환기 및 유로 구조를 포함한 팬 스크롤 모듈 시스템을 구성하고, 서로 다른 블레이드 각도를 가진 8종의 팬을 적용하여 단품 및 모듈 시스템 간 소음 특성을 비교하였다. 그 결과, 모듈 시스템은 실제 제품과 유사한 소음 경향을 나타내었으며, 실험 기법의 유효성이 확인되었다.
또한, CFD와 CAA를 연계한 복합 수치해석을 통해 유동 소음의 주요 원인을 분석하였고, 열교환기 후류에서 발생하는 볼텍스 셰딩과 난류 에너지 집중이 광대역 소음의 핵심 메커니즘임을 규명하였다. 이를 통해 본 연구는 제품 개발 초기 단계에서 반복적인 시제품 제작을 줄이고, 소음 예측의 신뢰도를 높일 수 있는 실용적인 시험 및 해석 기법을 제시하였다. 향후 열교환기 배관의 관경과 배열 변화에 따른 유동 및 소음 특성에 대한 연구를 통해 본 기법의 활용 범위를 확대할 예정이다.
