혁신적인 물결모양 블레이드 구성을 통한 축류 팬 소음 감소 향상
Enhancing Axial Fan Noise Reduction through Innovative Wavy Blade Configurations
Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 17, No. 7, pp. 1430-1443, 2024. Available online at www.jafmonline.net, ISSN 1735-3572, EISSN 1735-3645. https://doi.org/10.47176/jafm.17.7.2442
Abstract
소음은 축류 팬을 평가하는 핵심 지표 중 하나이며, 많은 경우 사용 적합성을 판단하는 유일한 지표이기도 하다. 이 연구에서는 축류 팬의 소음을 줄이기 위해 설계 매개변수는 같지만 코드 길이가 다른 두 축방향 팬의 블레이드를 물결 모양의 블레이드로 변환하기 위해 섹션 코드 길이(the section chord length)를 변경하는 새로운 방법이 제안되었다.
두 팬의 물결 모양 구성(wavy configuration)의 공기역학적 계산과 소음 감소 메커니즘은 LES(large eddy simulation)의 CFD와 라이트힐 음향 상사법(Lighthill acoustic analogy method)을 결합하여 연구했다.
그 결과, 물결 모양 구성(wavy configuration)을 통한 소음 감소에 기여하는 주요 메커니즘은 블레이드 표면의 층상 와류 구조(the blade surface’s layered vortex structure)가 상관관계가 없는 빗살 와류 구조(comb vortex structure)로 변환되는 것을 촉진하는 것으로 나타났다.
코드 길이가 짧은 팬 블레이드의 경우, 뒷전 이후에도 스팬 상관관계가 낮은(low spanwise correlation) 빗살 구조(comb structure)가 유지되는 반면, 코드 길이가 긴 팬 블레이드의 경우 뒷전 하류에서 소실 와류(shedding vortex)의 빗살 구조(the comb structure)가 빠르게 소멸(dissipated)되는 것으로 나타났다. 정격 설계 조건(the rated design conditions)에서 물결 모양의 앞전 블레이드를 구현한 결과 두 팬의 소음이 각각 1.9dB와 1.5dB 감소한 반면, 물결 모양의 뒷전 블레이드는 각각 2.6dB와 2.1dB의 감소 효과를 얻었다. 또한 물결 모양을 채택하면 중간 및 저유량에서는 두 축류 팬 모두에서 압력 증가 및 효율 감소 현상이 발생했지만, 고유량에서는 그 영향이 미미했다. 이러한 결과는 웨이브형 뒷전 블레이드의 우수한 소음 감소 효과를 입증하여 축류 팬의 소음 감소 설계에 대한 유망한 방법을 제시했다.
본문 요약
연구에서 설명한 내용은 축류 팬의 소음을 줄이기 위한 새로운 접근법으로, 물결 모양의 블레이드 구성을 구현하는 방법이다. 이 방법은 블레이드의 시위 길이를 조정하여 물결 모양의 블레이드로 변환하고, 그 후 공기역학 성능과 소음 감소 가능성을 분석하는 데 중점을 둔다. 연구에서는 대형 와류 시뮬레이션(LES) 기법을 사용한 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션과 라이트힐 음향 아날로지 방법을 결합하여 소음 감소 메커니즘을 상세히 이해했다.
주요 발견 사항:
- 소음 감소 메커니즘:
- 물결 모양의 블레이드를 통한 소음 감소의 주요 메커니즘은 블레이드 표면의 층류 와류 구조가 비상관성의 빗살 와류 구조로 변환되는 것이다. 이 변화는 소음을 발생시키는 와류의 일관성을 줄여 전체 소음 수준을 낮추는 데 기여한다.
- 시위 길이의 영향:
- 시위 길이가 짧은 블레이드의 경우, 낮은 스팬 방향 상관성을 가진 빗살 와류 구조가 트레일링 엣지(후방 가장자리) 너머에서도 유지되어 지속적인 소음 감소에 기여한다.
- 반면, 시위 길이가 긴 블레이드의 경우, 빗살 와류 구조가 트레일링 엣지 아래에서 더 빨리 소멸하지만 여전히 다른 메커니즘을 통해 소음 감소 효과를 제공한다.
소음 감소 성과:
- 물결 모양의 리딩 엣지(전방 가장자리) 블레이드를 적용한 결과, 두 팬 모두에서 각각9 dB 및 1.5 dB의 소음 감소가 있었다.
- 물결 모양의 트레일링 엣지 블레이드는 각각6 dB 및 2.1 dB로 더 큰 소음 감소를 달성했다.
공기역학적 성능:
- 물결 모양의 블레이드를 도입하면 중간 및 낮은 유량에서 압력 증가와 효율 감소 현상이 발생했니다. 그러나 높은 유량에서는 효율에 미치는 영향이 미미하여, 물결 모양의 블레이드 설계가 특정 운전 조건에서 더 효과적임을 시사한다.
설계 시사점:
- 연구는 리딩 엣지 수정에 비해 트레일링 엣지 블레이드의 소음 감소 효율이 우수하다는 점을 강조한다.
- 이 접근법은 소음이 중요한 성능 지표인 축류 팬을 설계하는 데 유망한 방법을 제시한다.
실용적 적용:
이 연구 결과는 HVAC 시스템, 자동차 냉각 팬, 산업용 환기와 같은 소음 감소가 중요한 산업에 적용될 수 있다. 특히 소음 수준을 크게 저하시키면서도 팬의 공기역학적 성능을 유지해야 하는 환경에서 물결 모양의 블레이드 설계가 유용할 수 있다.
향후 연구 방향:
추가 연구에서는 다음과 같은 사항을 탐구할 수 있다:
- 더 넓은 범위의 운전 조건과 팬 기하학에서 물결 모양의 블레이드 설계를 테스트하기.
- 소음 감소와 공기역학적 효율 사이의 트레이드오프를 보다 포괄적으로 조사하기.
- 상용화에서 물결 모양의 블레이드의 장기 내구성 및 제조 가능성을 탐구하기.
이 연구는 팬 소음 감소 전략에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 효율성과 조용한 작동의 이중 요구를 충족시키기 위해 혁신적인 블레이드 설계의 잠재력을 강조하고있다.
