I. 서 론
II. 대상 축류팬 시스템 분석
2.1 대상 축류팬 시스템
2.2 대상 축류팬 시스템 실험적 분석
III. 수치해석
3.1 수치해석 기법 및 해석 도메인
3.2 수치해석 기법 유효성 검증
3.3 기존 팬 수치해석 결과 분석
IV. 최적 설계 및 수치해석 결과
4.1 피치각 변경을 통한 유동 성능 최적화
4.2 변경피치각 적용 팬 유동장 분석
4.3 소음 해석 결과
V. 결 론
I. 서 론
차량용 미세먼지 측정 센서는 차량 내 에어컨 시스템에 결합하여 사용되며, 외부 유입 공기 또는 차량 내부 순환 공기의 미세먼지 농도를 측정하여 탑승자에게 미세먼지 함량을 제공하는 역할을 한다.
차량용 미세먼지 측정 센서가 작동할 때, 정밀한 측정을 위하여 센서 보드 위에 먼지가 가라앉지 않도록 하는 축류팬이 내장되어있다. 축류팬이 회전함으로 인해 발생되는 유동 소음은 측정 센서의 주요 소음원으로 작용하며 이는 차량 내 운전 환경에 직결된다. 특히, 자동차의 급격한 전동화에 따라 이러한 소음이 더욱 부각되고 있다. 본 논문에서는 이러한 차량용 미세먼지 측정 센서에 사용되는 소형 축류팬의 소음을 저감하기 위한 연구를 수행하였다. 이와 관련하여 팬 시스템의 유동 및 소음 성능을 향상시키기 위한 연구가 많이 수행되었다. Lee et al.[1]은 냉장고 냉기순환용 축류팬을 대상으로 전산유체역학과 음향 상사법, 경계요소법 방법이 결합된 복합방법을 사용하여 내부 소음을 예측하였다. Ren et al.[2]은 냉장고 기계실에 설치된 축류팬 시스템의 쉬라우드 형상을 대상으로 고유량 저소음 측면에서 수치해석을 기반으로 반응표면법을 이용하여 최적 설계를 수행하였다. Gue et al.[3]은 냉장고 기계실 축류팬을 대상으로 2중 날개 구조와 그루브 형상을 접목하여 소음 성능을 향상시켰다. Heo et al.[4]은 축류팬 시스템에 대하여 유동 토출부 하우징 길이를 대상으로 구조를 변경하여 유동 및 소음 성능을 향상시켰다. Ryu et al.[5]은 에어컨 실외기용 축류팬 시스템의 오리피스 형상 최적 설계를 통하여 유량 및 성능을 향상시켰으며, 가상 팬 성능시험기를 개발하여 실험과 수치해석 간의 비교를 통하여 수치해석기법의 유효성을 검증하였다. Choi et al.[6]은 냉각용 축류팬을 대상으로 익렬 분석법과 표면 돌기 형상을 이용하여 양항비를 최대화할 수 있는 최적 피치각을 도출하였으며, 이를 적용하여 유량 및 소음 성능을 향상하였다. YU et al.[7]은 소형 축류팬에 대하여 트위스트 각을 변경하였고, 트위스트 각이 블레이드의 부하에 미치는 영향을 확인하였다. 최적 트위스트 각을 적용함으로써 효율 및 소음 성능을 향상시켰다. Quaranta[8]은 축류팬에 대하여 스윕각, 윙렛이 유동 및 소음 성능에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였으며, 최적의 스윕각도와 윙렛을 적용하여 효율 및 소음 성능을 향상시켰다. 하지만 이러한 연구의 대부분이 비정상 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS) 방정식의 수치해와 Ffowcs-Williams & Hawkings(FW-H) 방정식으로 대표되는 음향상사법을 연계한 방법에 기반하고 있어 수치모사에 일정한 한계를 가지고 있다. 최근 Ryu et al.[9]은 원심팬 시스템에서 발행하는 유동 현상과 공력 음향 성능에 대하여 압축성, 비압축성 URANS 기반 방법과 대와류모사법을 비교하여 대와류모사법의 팬 유동과 소음의 동시 예측의 정확성을 분석하였다.
본 연구에서는 차량용 미세먼지 센서 내 소형 축류팬을 대상으로 고정밀, 고차방정식의 수치해석 방식 중 하나인 대와류모사법을 수행하여 유동장을 모사하는 동시에 유동 내 음압을 계산하여 유동 및 소음에 대한 수치 결과를 확인하고자 한다. 또한, 유동 구조의 개선을 위하여 최적의 피치각을 찾아 유량 성능 및 소음 성능을 개선하고자 한다. 먼저, 기존 축류팬 시스템의 유량 및 소음 성능을 실험을 통하여 분석하였다. 다음으로 실험환경을 모사하기 위해 가상 팬 성능시험기를 구축하고 이를 이용하여 유량 성능 및 소음 성능을 예측하였다. 실험 결과와의 비교를 통하여 수치해석 기법의 유효성을 검증하였다. 검증된 수치해석 기법을 적용하여 유량 성능을 향상시키기 위해 피치각을 주요 설계 변수로 수치해석을 수행하였고, 피치각이 유량에 미치는 영향을 분석하고 유량 성능이 최대화되는 피치각을 도출하였다. 최적 피치각을 적용한 축류팬의 유량 성능을 수치적으로 확인하고 동시 유량에서 소음이 저감됨을 확인하였다.
II. 대상 축류팬 시스템 분석
2.1 대상 축류팬 시스템
본 연구의 대상 축류팬 시스템은 Fig. 1과 같이 단일 쉬라우드와 단일 축류팬으로 구성되어 있지만 모터 지지대 3개가 후류방향에 위치하고 있다. 대상 축류팬 시스템은 미세먼지 측정 센서 내에 삽입되며 센서 보드 위에 먼지가 가라앉지 않도록 하는 역할을 한다. 형상적 특징으로는 7개의 날개를 가지며, 팬 지름 22 mm, 허브 지름 15 mm, 팁 간극은 0.7 mm로 소형 축류팬에 속한다. 작동 회전속도는 2,500 r/min이다.
2.2 대상 축류팬 시스템 실험적 분석
대상 축류팬 시스템의 유동 성능을 분석하기 위해 Fig. 2에 나타낸 팬 성능시험기를 사용하여 유량 성능을 도출하였다. 실험에 팬 성능시험기는 1.5(L) m 0.6(W) m 0.6(H)의 크기를 가진다. 팬 성능시험기의 실험 방식에는 흡입모드와 배출모드가 있으며 본 실험에서는 흡입모드를 사용하여 수행되었다.
대상 축류팬 시스템의 소음 성능을 분석하기 위해 Fig. 3과 같은 반 무향실에서 실험을 수행하였다. 반 무향실의 측정환경으로 4 m 4 m 2.7 m의 크기를 가지며 차단 주파수는 125 Hz, 배경 소음은 20 dBA 미만의 환경을 가진다. 대상 축류팬 시스템의 실험은 팬의 토출부 면을 기준으로 5 cm 위치에서 측정되었다. 정확한 소음실험을 위해 마이크로폰 교정 장비를 이용하여 1000 Hz에서 94 dB의 순음 신호로 마이크로폰을 교정하여 실험을 진행하였다. 이어서 Table 1의 신호처리 정보를 이용하여 Fast Fourier Transform(FFT)을 통해 시간 영역에서의 음압 정보를 주파수 영역에서 음압레벨로 변환하였다. 또한, 소음실험에서 팬 시스템으로부터 토출 유동의 영향 여부를 판단하기 위해 45° 위치에서 실험을 진행하였을 때 Fig. 4에서 보이는 것과 같이 날개 통과 주파수(Blade Pass Frequency, BPF)인 291.7 Hz에서 크게 차이가 나타나지 않는 것을 확인하였다.
Table 1.
Information of signal processing and equipment.
| Measured time [s] | 30 |
| Frequency resolution [Hz] | 1 |
| Sampling rate [Hz] | 25,600 |
| Overlap [%] | 80 |
| Average count [EA] | 100 |
| Window function | Hanning |
| Microphone | B&K type4189 |
| FFT Analyzer | LMS scadas |
소음실험 결과 Fig. 5와 같이 팬 시스템에서 BPF의 영향이 가장 지배적으로 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 배경소음의 영향이 미치는 구간을 확인하기 위해 Fig. 6의 1/3 옥타브 밴드를 나타내었다. 배경 소음과 측정 소음의 차이가 15 dBA 이하 구간에 대하여 Fig. 7과 ISO 3745[10]에 의거하여 관심 주파수 영역을 선정하였으며, 배경 소음의 영향을 추가로 보정하여 측정 소음에 대한 OASPL을 계산하였다.
III. 수치해석
3.1 수치해석 기법 및 해석 도메인
본 연구에서는 대상 축류팬 시스템의 유동 및 소음 성능을 분석하고 성능개선을 위한 효율적인 연구를 위하여 상용프로그램인 ANSYS Fluent v19.1을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 또한, 대와류모사법을 사용하여 유동장을 모사하는 동시에 압축성 음압을 직접적으로 계산하고, 대상 수음점에서 음압을 신호처리과정을 거쳐 소음을 예측하는 직접 방법을 사용하였다. 지배방정식과 Smagorinsky-Lilly 모델은 다음과 같다.
팬 유동 소음 예측을 보다 정밀하게 수행하기 위해 실제 실험환경을 고려한 가상 팬 성능 시험기(Virtual Fan Performance Tester, VFPT)를 구축하여 Fig. 8과 같은 해석 계산영역을 구축하였다. 해석 계산영역에서 입구부와 출구부에 압력 경계조건을 적용하였으며 팬 유동 및 소음의 정확한 예측을 위하여 Figs. 9와 10에서 나타낸 바와 같이 약 2천만 개, Y+는 1 이하인 격자를 사용하였다.
3.2 수치해석 기법 유효성 검증
본 연구에 적용된 수치해석 기법 및 해석 계산영역의 유효성을 검증하기 위해 예측된 유량 및 소음 성능 결과를 실험 결과와 비교를 통해 분석하였다. 먼저 유량 성능의 경우 무부하 지점에서의 실험 결과와 해석 결과를 비교하였으며 약 0.5 %의 오차를 가져 높은 정확도를 확인할 수 있다. 다음으로 소음 성능의 유효성을 검증하기 위해 Fig. 11에서 실험 및 수치해석의 음압스펙트럼 레벨을 도시하였다. 일부 광대역 소음 성분에는 차이가 있으나 전체 음압에 가장 큰 영향을 주는 BPF 성분이 3 dB 내의 차이를 나타냄을 확인할 수 있다.
3.3 기존 팬 수치해석 결과 분석
검증된 수치해석 기법을 기반으로 기존 축류팬 시스템의 유동장 특성을 분석하기 위해 무부하 영역에서 수치해석을 진행하였다. 먼저 유동이 흡입되고 토출되는 과정에서의 유동 구조를 관찰하기 위해 유동장을 추출하여 분석하였다. Fig. 12을 보면 날개 Mid span(50 %) 부근에 앞전과 뒷전, 쉬라우드 그리드 형상에 의해 와류 구조가 발생함을 확인할 수 있다. 이러한 현상을 더 정량적으로 관찰하고자 Fig. 13와 같이 Mid span에 실린더 형상을 구축하여 2D 평면으로 펼쳐서 관찰하였다. Fig. 14에서는 2D 사각 평면에서 와류구조의 정량적 평가에 많이 사용되는 아래식과 같이 정의되는 Q-criterion 값을 이용하여 나타내었다.
Fig. 14을 통하여 Fig. 12에서 관찰된 팬 날개 앞전의 와류구조는 앞전에서 유동박리를 원인으로 발생함을 알 수 있다. 이러한 유동박리로 발생한 와류가 팬 회전에 따라 이웃한 날개 방향인 원주 방향 유동구조에 영향을 주어 유동 손실과 소음을 발생시킴을 확인할 수 있다.
IV. 최적 설계 및 수치해석 결과
4.1 피치각 변경을 통한 유동 성능 최적화
축류팬의 경우 받음각에 따라 유동 구조와 성능이 변경된다. 받음각은 앞전과 뒷전을 잇는 시위선과 공기의 상대적인 운동 방향 사이의 각을 의미한다. 받음각이 커질수록 날개 윗면에서 경계층이 분리되려는 현상이 강해지며 임계 받음각을 넘게 되면 양력이 급격히 감소하는 스톨 현상과 함께 유동 박리현상이 나타난다. 기존 축류팬 시스템의 날개 앞전에서 앞전으로 이동하는 원주 방향 와류을 감소시키기 위하여 피치각을 조정하여 받음각을 변경하였다. 피치각은 팬 설치 환경을 고려하여 Mid span을 기준으로 ± 10°를 최대 최소로 하여 변경하였다. 변경 모델에 대한 수치해석을 진행하였으며 피치각에 따른 유량 그래프를 Fig. 15에 나타내었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 피치각이 증가함에 따라 유량도 함께 증가함을 확인할 수 있다. 따라서 그래프를 통해 유동 성능이 감소하지 않은 상태에서 소음 성능을 개선하기 위하여 유동 성능이 최대화되는 지점을 최적 설계점으로 도출하였다. 유량 성능은 기존 대비 약 8.1 % 개선됨을 예측하였으며 형상은 Fig. 16와 같다.
4.2 변경피치각 적용 팬 유동장 분석
앞서 피치각 변경을 통하여 받음각을 변화시켜 원주 방향 유동을 감소시키고자 하였으며 최적 설계 모델의 유동장을 통해 확인하였다. 유동장은 해석 수렴 후 마지막 바퀴 데이터를 사용하여 도출되었다. Fig. 17을 보면 앞전에서 발생하는 저속 영역이 감소한 것을 확인할 수 있으며 뒷전에서 유동 속도가 기존 대비 개선된 것을 확인할 수 있다. 이어서 Fig. 18에서 먼저 Q-criterion을 Iso-contour로 도출한 것을 보면 앞전에서 원주 방향 유동이 정성적으로 감소한 것을 관찰할 수 있다. 이어서 Fig. 19에서 Vorticity magnitude를 2D 평면에서 도출한 것을 확인했을 때도 동일하게 앞전에서 발생하는 원주 방향 유동이 감소했음을 확인할 수 있으며 이러한 현상으로 인하여 유동 성능이 개선되었음을 확인할 수 있다.
4.3 소음 해석 결과
먼저 소음 해석을 위한 수음점은 Fig. 20와 같이 실험환경과 동일하게 결정하였다. 본 연구에서 소음 해석은 대와류모사법을 기반으로 직접 방법을 이용하여 소음을 예측하였으며 Sampling frequency[Hz]는 100,000 Hz로 설정하였다. 도출된 음압 데이터는 FFT 변환을 통하여 주파수 영역 음압레벨 데이터로 변환하였다.
수치해석을 통한 기존 시스템과 최적 설계 시스템과의 음압레벨 스펙트럼을 Fig. 21에 나타냈다. 또한, 앞서 설정한 관심 주파수 영역에 대하여 Overall Sound Pressure Level(OASPL)을 계산한 결과 최적 설계 시스템이 기존 시스템 대비 약 0.9 dBA 높은 것으로 확인되었다. 하지만 팬법칙 Eqs. (5), (6)에 의하여 동일 유량 성능에서 소음 성능을 비교한다면 회전속도는 약 188 r/min 이 저감된 2312 r/min으로 회전하며 이 때 소음 성능은 약 0.8 dBA 저감되는 것을 확인할 수 있다.
V. 결 론
본 연구에서는 차량용 미세먼지 센서 내 삽입되는 소형 축류팬 시스템을 대상으로 피치각 변경을 통하여 유동 및 소음 성능을 개선하였다. 먼저, 기존 축류팬 시스템의 성능은 팬 성능시험기와 반 무향실에서의 소음실험을 통해 평가하였다. 또한, 실험환경을 고려한 계산영역을 구축하여 전산유체역학을 기반으로 한 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과와 실험 결과와의 비교를 통하여 수치해석 기법의 유효성을 검증하였으며, 검증된 계산영역 및 수치해석 기법을 사용하여 최적 설계를 진행하였다. 이를 통해 대상 축류팬 시스템에서 피치각이 증가함에 따라 유량이 함께 증가함을 확인하였고, 유량 성능이 최대화되는 피치각을 도출하였다. 도출된 모델을 대상으로 수치해석을 진행한 결과 유량 성능이 약 8.1 % 개선되었으며, 기존 축류팬 시스템에서 보이던 원주 방향 유동현상이 감소함을 확인하였다. 또한, 직접 방법을 통하여 소음 해석을 진행한 결과 관심 주파수 영역에서 OASPL이 약 0.9 dBA 증가함을 확인하였으나 동일 유량 조건인 2312 r/min에서 최적 설계 시스템의 OASPL이 약 0.8 dBA 감소함을 확인하였다.
본 연구는 목적함수를 유량으로 두고 최적화를 수행하였다. 향후 소음 성능의 추가 향상을 위하여 목적함수를 소음 성능으로 하여 최적화를 수행할 예정이며 소음 실험도 함께 진행할 예정이다.
