Large-scale unsteady flow structures in the leakage flow of a low-speed axial fan with rotating shroud
Edward Canepaa, Andrea Cattaneia, Fabio Mazzocut Zecchina,⁎, Davide Parodib
a DIME – Università di Genova, Genoa I-16145, Italy
b Johnson Electric Asti srl, Asti I-14100, Ita
Experimental Thermal and Fluid Science 102 (2019) 1–19
1. 연구 배경 및 목적
저속 축류 팬(Low-speed axial-flow fan)은 산업, 건축, 수송 분야에서 널리 사용되며, 팬의 공력 성능과 함께 소음 저감이 중요한 연구 과제이다. 팬의 회전 슈라우드(Rotating Shroud) 는 누설 유동(Leakage Flow)을 제어하여 성능을 향상시키지만, 슈라우드 갭에서 발생하는 유동이 소음 증가에 기여할 가능성이 높음이 알려져 있다.
본 연구는 슈라우드 갭에서 방출되는 누설 유동의 주기적(Periodic) 및 비주기적(Non-Periodic) 유동 구조를 실험적으로 분석하여, 이들이 로터(Rotor)와 상호작용하는 방식과 소음 발생 메커니즘을 규명하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 LDV(Laser Doppler Velocimetry) 및 PIV(Particle Image Velocimetry) 실험을 수행하고, 위상 평균(Ensemble Averaging)과 고유 직교 분해(POD, Proper Orthogonal Decomposition) 기법을 활용하여 유동 특성을 정량적으로 분석하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서는 이탈리아 제노바 대학교(DIME, Università di Genova)의 공력음향 실험실에서 저속 축류 팬을 대상으로 실험을 수행하였다.
- 팬 구조:
- 슈라우드 직경: 460mm
- 블레이드 개수: 9개
- 슈라우드 갭(axial & radial): 5mm
- 측정 기법:
- LDV (레이저 도플러 유속계): 선회 속도(∼ v̄t) 및 난류 강도(∼ Tu) 측정
- PIV (입자 영상 유속계): 2D 유동장 및 와류 구조 시각화
- 위상 평균(Ensemble Averaging): 주기적 유동 구조 분석
- POD (고유 직교 분해): 비주기적 유동 구조 및 난류 특성 분석
- 실험 조건:
- 자유 방출 조건(FD-3000) vs. 설계점 조건(DP-3000) 비교
- 회전 속도(Ω): 1800, 2400, 3000 RPM
3. 주요 연구 결과
3.1 로터 상류의 유동 특성
- LDV 분석 결과, 슈라우드 갭에서 방출된 유동이 로터 상류에서 강한 선회 속도(∼ v̄t)와 높은 난류 강도(∼ Tu)를 형성하는 것이 확인됨.
- PIV 분석 결과, FD-3000에서는 유동 혼합이 적은 반면, DP-3000에서는 슈라우드 갭에서 방출된 유동이 로터 입구에서 강한 혼합 영역(Mixing Zone)을 형성함.
- 특정 회전 속도(Ω ≅ 2450 RPM)에서 유동 패턴이 급격히 변화하는 현상이 관찰됨.
3.2 주기적 유동 구조 (Periodic Flow Structures)
- 슈라우드 갭에서 방출된 유동은 블레이드 통과 주파수(BPF)와 연관된 주기적인 나선형(spiral) 와류 패턴을 형성.
- DP-3000 조건에서는 슈라우드 갭에서 방출된 와류가 일정한 주파수 간격으로 형성되며, 반경 방향(radial direction)으로 확산됨.
- DP-2400에서는 슈라우드 갭에서 방출된 유동이 로터 팁 근처에 정착하여 재순환 버블(Recirculation Bubble)을 형성.
- 슈라우드 갭에서 발생한 주기적 와류가 블레이드와 상호작용하며 강한 소음을 유발할 가능성이 있음.
3.3 비주기적 유동 구조 (Non-Periodic Flow Structures)
- POD 분석 결과, 슈라우드 갭에서 방출된 유동이 이동하면서 붕괴(ripping)되어 비주기적인 대규모 와류(Large-Scale Non-Periodic Vortices) 를 형성.
- 비주기적 유동 구조는 로터 입구에서 강한 난류 강도를 유발하며, 저주파 소음(low-frequency noise) 증가와 관련될 가능성이 높음.
- DP-3000에서는 슈라우드 갭에서 방출된 유동이 일정한 거리 이동 후 붕괴되는 패턴을 보이며, DP-2400에서는 로터 팁 근처에서 강한 난류 혼합이 발생.
- 비주기적 유동 구조가 블레이드와의 불규칙한 상호작용을 통해 저주파 소음을 유발할 가능성이 높음.
3.4 회전 속도에 따른 누설 유동 패턴 변화
- 2450 RPM 이하(DP-2400)에서는 누설 유동이 로터 근처에 정착하여 재순환 버블을 형성.
- 2450 RPM 이상(DP-3000)에서는 누설 유동이 반경 방향으로 확산하며, 블레이드와의 직접적인 상호작용이 감소.
- 이는 로터 변형(rotor deformation)과도 연관이 있으며, 팬 설계 시 누설 유동의 변화를 고려해야 함.
4. 결론 및 적용 가능성
본 연구를 통해 저속 축류 팬의 슈라우드 갭에서 발생하는 누설 유동이 대규모 주기적 및 비주기적 유동 구조를 형성하며, 이는 난류 강도 및 소음 증가와 직접적인 연관이 있음을 확인하였다.
4.1 결론 요약
- 슈라우드 갭에서 방출된 유동은 블레이드 통과 주파수(BPF)와 관련된 나선형 와류(spiral vortex)를 형성하며, 강한 유동 혼합을 유발.
- 비주기적 유동 구조는 주기적 유동 구조가 붕괴하면서 형성되며, 높은 난류 강도를 유발하여 저주파 소음을 증가시킴.
- 특정 회전 속도(Ω ≅ 2450 RPM)에서 유동 패턴이 급격히 변형되며, 이는 로터 변형과 연관이 있을 가능성이 큼.
- 누설 유동은 블레이드와의 상호작용을 통해 강한 소음을 유발할 가능성이 있으며, 이를 효과적으로 제어하는 것이 소음 저감을 위한 핵심 전략.
4.2 향후 연구 방향
- TR-PIV (Time-Resolved PIV)를 활용한 유동 구조의 시간적 변화 분석.
- LES(Large Eddy Simulation) 기반의 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 통한 유동 모델링 검증.
- 슈라우드 설계 최적화를 통한 누설 유동 및 소음 감소 전략 수립.
- 로터 변형이 누설 유동 및 소음 특성에 미치는 영향 추가 연구.
4.3 적용 가능성
본 연구 결과는 저속 축류 팬의 공력 성능 최적화 및 소음 저감을 위한 설계 개선에 활용 가능하다.
특히, 팬 설계 시 슈라우드 갭에서 방출되는 유동을 효과적으로 제어하는 것이 중요하며, 슈라우드 형상 최적화 및 유동 컨트롤 기법 적용이 필요함을 시사한다.
본 연구는 저속 축류 팬의 누설 유동을 제어하고 소음을 줄이기 위한 핵심 설계 원리를 규명하는 데 기여하며, 산업적 활용 가능성이 높다.
