Leakage Noise and Related Flow Pattern in a Low-Speed Axial Fan with Rotating Shroud
저자: Edward Canepa, Andrea Cattanei, Fabio Mazzocut Zecchin
저널: International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power (2019)
1.서론 (Introduction)
1.1 연구 배경 및 필요성
- 축류 팬(Axial Flow Fan) 은 자동차 냉각 시스템, 공조, 산업용 환기 등에 광범위하게 사용됨.
- 축류 팬의 공력 성능(Aerodynamic Performance)과 소음 저감(Noise Reduction)은 중요한 설계 요소이며,
특히 회전 슈라우드(Rotating Shroud)가 적용된 팬에서는 소음 증가가 주요 문제로 대두됨. - 회전 슈라우드는 블레이드 팁을 연결하는 링 구조로, 부피 효율(Volumetric Efficiency)을 향상시키고 구조적 강성을 증가시키지만, 동시에 소음을 증가시키는 경향이 있음.
1.2 회전 슈라우드(Rotating Shroud)와 누설 유동(Leakage Flow)
- 슈라우드와 정지 하우징 사이의 간극(Gap)에서 발생하는 누설 유동(Leakage Flow)은 축류 팬의 주요 소음 원인 중 하나.
- 이 누설 유동이 다시 로터(Rotor)로 재유입(Reingestion)되면서 소음 증가에 기여함.
- 특히 중저주파수 대역(Low-to-Mid Frequency Range)에서 좁은 대역(Narrowband) 험프(Humps)와 광대역(Broadband) 소음 증가가 관찰됨.
1.3 기존 연구 및 한계점
1.3.1 기존 연구에서 확인된 주요 결과
- Fukano, Piellard, Magne, Moreau 등 다양한 연구에서 누설 유동이 팬 소음 증가의 주요 원인으로 지목됨.
- 기존 연구들은 주로 팁 간극 와류(Tip Leakage Vortex, TLV)와 블레이드 후연(Trailing Edge)의 와류 방출(Vortex Shedding) 소음을 분석함.
- 슈라우드 갭에서 발생하는 누설 유동이 중저주파 대역에서 협대역(Narrowband) 소음을 유발함을 규명.
1.3.2 기존 연구의 한계
- 기존 연구에서는 누설 유동과 관련된 소음이 비선형적으로 변화하는 현상에 대한 연구가 부족함.
- 팬의 회전 속도(Ω)와 압력 상승(Ψ)에 따라 누설 유동 패턴이 변화하는 현상이 보고되었으나, 이에 대한 체계적인 연구가 부족함.
- 팬 로터의 재질(예: 플라스틱 vs. 알루미늄)에 따른 변형(Deformation)과 유동 패턴 변화가 소음에 미치는 영향이 명확히 규명되지 않음.
1.4 본 연구의 목표 및 차별점
본 연구에서는 기존 연구의 한계를 보완하여 누설 유동의 특성과 관련 소음 메커니즘을 체계적으로 분석하고, 효과적인 소음 저감 방안을 탐색함.
1.4.1 본 연구의 주요 목표
- 누설 유동(Leakage Flow)의 특성과 소음 발생 메커니즘을 체계적으로 분석.
- 회전 슈라우드(Rotating Shroud)와 블레이드 팁 간극이 소음에 미치는 영향을 연구.
- 팬의 회전 속도(Ω)와 압력 상승(Ψ)에 따른 누설 유동 패턴 변화를 분석하여, 소음 저감에 최적화된 운영 조건을 도출.
- 알루미늄 로터(Aluminum Rotor)와 플라스틱 로터(Plastic Rotor)의 유동 패턴 차이를 비교하여, 로터 강성(Stiffness)이 소음에 미치는 영향을 평가.
1.4.2 기존 연구와 본 연구의 차별점
| 기존 연구 | 본 연구 |
| 주로 팁 간극(Tip Clearance) 최소화를 통한 소음 저감 연구 | 슈라우드 갭(Shroud Gap)에서 발생하는 누설 유동 패턴 분석 |
| 소음과 유동 패턴 간의 직접적 관계 분석 부족 | PIV(Particle Image Velocimetry)를 활용한 유동 패턴 및 소음 특성 분석 |
| 플라스틱 로터 중심 연구 | 알루미늄 로터를 포함하여 로터 강성이 소음에 미치는 영향 분석 |
| 특정 운전 조건에서의 실험 제한 | 다양한 회전 속도(Ω) 및 블레이드 부하(Ψ)에서 실험 수행 |
2. 실험 방법 (Experimental Procedure)
2.1 실험 장치 (Experimental Facility)
- 이전 연구와 비교하여 더 많은 운전 조건을 실험하고, 기존 플라스틱 로터 대신 알루미늄 로터를 테스트함.
- 알루미늄 로터는 강성이 높아 변형이 적으며, 더 정밀한 결과를 제공할 것으로 예상됨.
- 테스트 팬 사양:
- 블레이드 개수: 9개
- 팁 반경: 222mm
- 허브 직경 비율: 0.374
- 코드 길이: 43~50mm
2.2 음향 측정 방법 (Acoustic Measurement Procedure)
- DIME 반무향실(Hemi-Anechoic Chamber)에서 B&K 3560 스펙트럼 분석기와 ½” 자유장 마이크로폰을 사용하여 음향 측정 수행.
- 회전 속도(Ω): 1000~4000 RPM 범위에서 측정.
- 음향 분석:
- 주파수 밴드에서의 SPL(Sound Pressure Level) 분석.
- 누설 소음이 주로 낮은 주파수(St < 90)에서 발생함을 확인.
- 스펙트럼 내에서 서브하모닉 좁은 대역(SHNB, Subharmonic Narrowband) 험프(Humps)가 존재.
2.3 유동장 측정 방법 (Aerodynamic Measurement Procedure)
- PIV(Particle Image Velocimetry) 기법을 사용하여 슈라우드 갭 내의 유동장을 분석.
- 4개의 운영 조건(Ψ = 0.0126, 0.0488, 0.0993, 0.1142)에서 측정 수행.
- 유동 구조의 평균 패턴(Time-Mean Vector Plot)과 순간적 패턴(Instantaneous Vector Plot) 분석.
3.실험 결과 (Experimental Results)
3.1 기존 연구 요약 (Previous Work)
- 이전 연구에서 로터 변형(Rotor Deformation)과 블레이드 부하(Blade Loading)가 누설 유동(Leakage Flow) 패턴 및 소음에 미치는 영향을 확인.
- 특정 회전 속도(Ω ≈ 2450 RPM)에서 SPL(Sound Pressure Level)이 갑자기 감소하는 현상이 보고됨 → 이는 유동 패턴의 급격한 변화와 관련이 있음.
- 누설 유동 소음이 단순한 증가 추세를 보이지 않으며, 특정 Ψ(압력 상승 계수) 값에서 감소하는 비선형적 특성을 보임.
3.2 음향 측정 결과 (Acoustic Measurements)
3.2.1 누설 유동 소음 특성 분석
- 누설 유동 소음이 주로 저주파수(St < 90)에서 발생.
- Ψ(압력 상승 계수)가 증가함에 따라 SPL이 단조롭게 증가하지 않고 특정 Ψ 값에서 감소하는 비선형적인 특성을 보임.
- 서브하모닉(Subharmonic) 협대역 험프(Humps)가 관찰되며, 이 험프의 주파수(St)는 Ψ가 증가할수록 감소하는 경향을 보임.
- Ψ ≈ 0.09에서 SPL이 감소하는 현상이 관찰되며, 이는 유동 패턴 변화와 관련.
3.2.2 회전 속도(Ω)에 따른 소음 특성
- SPL이 회전 속도(Ω)에 따라 크게 변하지 않으며, 특정 Ψ 값에서 유동 패턴이 변하면서 소음이 감소하는 현상이 나타남.
- 회전 속도가 증가해도 누설 유동 소음의 기본적인 특성(서브하모닉 험프의 존재 등)은 유지됨.
- 서브하모닉 험프는 일정한 St 값을 유지하며, 이는 누설 유동의 선회 운동(Prerotation)과 관련.
3.3 유동 패턴과 방사 소음의 관계 (Relation between Radiated Noise and Flow Pattern)
3.3.1 유동장 측정 결과
- PIV(Particle Image Velocimetry) 측정 결과, 회전 속도(Ω) 및 블레이드 부하(Ψ)에 따라 누설 유동 패턴이 크게 변화.
- Ψ가 증가할수록 누설 유동이 로터 전방으로 확장되며, 이는 저주파수 소음의 주요 원인으로 작용.
- 특정 Ψ 값에서 블레이드 팁 근처에서 순간적인 유동 분리(Flow Separation) 발생 → 이는 새로운 서브하모닉 험프 생성과 연관됨.
3.3.2 누설 유동 패턴의 단계적 변화
- 낮은 Ψ (Ψ = 0.0126) → 제한된 누설 유동
- 누설 유동이 로터 링(Rotor Ring) 근처에 국한됨.
- 회전 운동(Prerotation)이 약하며, 재유입되는 유동이 적음.
- 이로 인해 서브하모닉 험프의 강도가 상대적으로 낮음.
- 중간 Ψ (Ψ = 0.0488) → 누설 유동 확장
- 누설 유동이 로터 전방으로 확장됨.
- 서브하모닉 험프의 강도가 증가하기 시작함.
- 높은 Ψ (Ψ = 0.0993~0.1142) → 강한 재순환(Recirculation)
- 누설 유동이 로터 전방으로 광범위하게 확장됨.
- 재순환이 강해지면서 블레이드 팁에서 순간적인 유동 분리(Flow Separation) 발생.
- 서브하모닉 험프의 새로운 주파수 성분이 나타나고, 소음 특성이 변화함.
3.3.3 누설 유동 패턴 변화와 서브하모닉 험프
- PIV 결과에 따르면, 특정 Ψ 값 이상에서 누설 유동이 광범위한 재순환 영역을 형성하면서 블레이드 팁에서 순간적인 유동 분리가 발생.
- 이러한 유동 변화는 서브하모닉 험프의 주파수를 변화시키고, 특정 Ψ 값에서 소음 감소 현상을 유발할 수 있음.
- 즉, 서브하모닉 험프는 단순한 누설 유동의 양이 아니라, 누설 유동의 유입 패턴(Reingestion Pattern) 및 유동 구조 변화와 밀접한 관련이 있음.
3.4 주요 실험 결과 요약
- 누설 유동 소음은 단조롭게 증가하지 않으며, 특정 Ψ 값에서 감소하는 비선형적인 특성을 보임.
- PIV 측정 결과, Ψ가 증가함에 따라 누설 유동이 점차 로터 전방으로 확장되며, 이는 서브하모닉 험프의 주파수(St)를 감소시키는 원인이 됨.
- 특정 Ψ 값에서 블레이드 팁 근처에서 순간적인 유동 분리가 발생하며, 이는 새로운 서브하모닉 험프를 생성하는 주요 원인으로 작용.
- 회전 속도(Ω)가 증가해도 누설 유동의 근본적인 특성은 유지되며, 서브하모닉 험프의 존재는 일정한 St 값에서 유지됨.
- 유동 패턴 변화는 누설 유동 소음에 중요한 영향을 미치며, 서브하모닉 험프의 특성을 결정하는 주요 요소로 작용함.
4. 결론 (Conclusions).
4.1 연구의 주요 성과
본 연구는 저속 축류 팬에서 회전 슈라우드(Rotating Shroud)가 있는 경우 발생하는 누설 유동(Leakage Flow)과 관련된 소음(Leakage Noise)을 체계적으로 분석하였다.
이를 위해 다양한 회전 속도(Ω)와 블레이드 부하(Ψ)에서 음향 및 유동 특성을 측정하고, 누설 유동 패턴과 소음 간의 관계를 규명하였다.
4.2 연구 결과 요약
1) 누설 유동 소음(Leakage Noise)은 단조롭게 증가하지 않음
- 일반적으로 누설 유동이 증가하면 소음이 증가하지만, 특정한 Ψ 값에서 소음이 감소하는 비선형적인 경향을 보임.
- 서브하모닉(Subharmonic) 협대역 험프(Humps)가 존재하며, Ψ가 증가할수록 험프의 주파수(St)는 감소하는 경향을 보임.
- Ψ ≈ 0.09에서 SPL(Sound Pressure Level)이 감소하는 현상이 관찰됨 → 이는 유동 패턴 변화와 관련이 있음.
2) 회전 속도(Ω)가 소음 패턴에 미치는 영향
- SPL이 회전 속도(Ω)에 따라 크게 변하지 않으며, 특정 Ψ 값에서 유동 패턴이 변하면서 소음이 감소하는 현상이 나타남.
- 서브하모닉 험프는 일정한 St 값을 유지하며, 이는 누설 유동의 선회 운동(Prerotation)과 관련.
- 즉, 회전 속도가 증가해도 누설 유동 소음의 기본적인 특성(서브하모닉 험프의 존재 등)은 유지됨.
3) 누설 유동 패턴 변화가 서브하모닉 험프에 미치는 영향
- PIV(Particle Image Velocimetry) 결과, Ψ가 증가할수록 누설 유동이 로터 전방으로 확장되며, 이는 저주파수 소음의 주요 원인으로 작용.
- Ψ ≈ 0.09 이상에서는 블레이드 팁 근처에서 순간적인 유동 분리(Flow Separation) 발생 → 이는 새로운 서브하모닉 험프를 생성하는 원인.
- 즉, 서브하모닉 험프는 단순한 누설 유동의 양이 아니라, 누설 유동의 유입 패턴(Reingestion Pattern) 및 유동 구조 변화와 밀접한 관련이 있음.
4.3 연구의 시사점
본 연구는 누설 유동이 축류 팬의 주요 소음 원인이며, 그 특성이 블레이드 부하(Ψ)와 회전 속도(Ω)에 의해 비선형적으로 변화한다는 점을 규명하였다.
이를 통해 다음과 같은 중요한 시사점을 얻을 수 있다.
- 누설 유동 소음은 단조롭게 증가하는 것이 아니라 특정 Ψ 값에서 감소하는 특성을 보이며, 이는 유동 패턴의 급격한 변화와 관련이 있음.
- PIV 분석 결과, Ψ가 증가함에 따라 누설 유동이 점차 로터 전방으로 확장되며, 이는 서브하모닉 험프의 주파수(St)를 감소시키는 원인이 됨.
- 특정 Ψ 값에서 블레이드 팁 근처에서 순간적인 유동 분리가 발생하며, 이는 새로운 서브하모닉 험프를 생성하는 주요 원인으로 작용.
- 회전 속도(Ω)가 증가해도 누설 유동의 근본적인 특성은 유지되며, 서브하모닉 험프의 존재는 일정한 St 값에서 유지됨.
- 유동 패턴 변화는 누설 유동 소음에 중요한 영향을 미치며, 서브하모닉 험프의 특성을 결정하는 주요 요소로 작용함.
4.4 향후 연구 방향
1) 누설 유동의 비선형적 소음 패턴 분석
- 본 연구에서 확인된 Ψ 값에 따른 비선형적인 소음 변화의 근본적인 원인을 규명하기 위해 추가적인 실험 및 수치 해석 연구 필요.
- 특히 서브하모닉 험프가 특정 Ψ 값에서 감소하는 현상을 정량적으로 분석할 필요가 있음.
2) 다양한 팬 운전 조건에서의 추가 검증 필요
- 본 연구는 특정 회전 속도 및 유량 조건에서 실험을 수행하였으며, 향후 연구에서는 다양한 운전 조건에서 소음 저감 효과를 검증할 필요가 있음.
- 특히 자동차 냉각 팬 및 산업용 공조 팬과 같은 실제 응용 환경에서의 테스트 필요.
3) CFD 및 AI 기반 최적 설계 연구 필요
- 실험적으로 검증된 누설 유동 패턴과 소음의 관계를 CFD(전산유체역학) 및 AI 기반 머신러닝 최적화 기법을 활용하여 추가적으로 개선 가능.
- CFD를 통해 보다 세밀한 유동 특성 분석 및 다양한 블레이드 형상 설계 연구 가능.
4.5 결론 요약
- 저속 축류 팬에서 회전 슈라우드는 누설 유동을 증가시켜 소음을 유발할 수 있으며, 이는 중저주파수 대역에서 서브하모닉 험프를 형성함.
- 누설 유동 소음은 Ψ(압력 상승 계수)가 증가할수록 단조롭게 증가하지 않으며, 특정 Ψ 값에서 감소하는 특성을 보임.
- PIV 분석 결과, Ψ가 증가할수록 누설 유동이 로터 전방으로 확장되며, 이는 저주파수 소음의 주요 원인으로 작용.
- 특정 Ψ 값에서 블레이드 팁 근처에서 순간적인 유동 분리가 발생하며, 이는 새로운 서브하모닉 험프를 생성하는 주요 원인으로 작용.
- 회전 속도(Ω)가 증가해도 누설 유동의 근본적인 특성은 유지되며, 서브하모닉 험프의 존재는 일정한 St 값에서 유지됨.
- 향후 연구에서는 누설 유동과 관련된 서브하모닉 험프의 근본적인 생성 메커니즘을 더 깊이 분석할 필요가 있음.
- CFD 및 AI 기반 최적화 기법을 사용하여 팬의 설계를 개선하고, 소음 저감을 위한 최적 운영 조건을 분석할 필요가 있음.
- 연구의 시사점 및 향후 연구 방향
- 누설 유동이 팬 소음에서 차지하는 비중이 크므로, 이를 효과적으로 제어하는 것이 소음 저감을 위한 핵심 전략이 될 것임.
- PIV를 활용한 추가적인 유동장 연구를 통해 서브하모닉 험프 발생 메커니즘을 보다 명확하게 규명할 필요가 있음.
- CFD 및 AI 기반 최적화 기법을 사용하여 팬의 설계를 개선하고, 소음 저감을 위한 최적 운영 조건을 분석할 필요가 있음.
