수업 개요
본 강의는 산업용 팬(Axial 및 Centrifugal Fans)의 공기역학적 원리, 설계 기법, 소음 발생 메커니즘, 그리고 CFD 기반 성능 해석 및 최적화 전략을 다루는 대학원 수준의 전공 강의입니다. 이론과 수치 실습을 병행하며, 팬 설계의 전 과정을 체계적으로 학습할 것입니다..
강의 추천 대상은 팬 설계 및 성능 해석에 관심 있는 대학원생, 터보기계, 환기시스템, 풍력, 공기청정기, 냉각기기 등 관련 분야 연구자, 그리고 유체역학, 열공학, 소음제어를 실용적으로 통합하고자 하는 학생 등 입니다.
이 과목은 Thomas Carolus의 대표 저서 『Fans – Aerodynamic Design, Noise Reduction, Optimization』 (Springer, 2022)을 기반으로, 팬의 기초 설계 원리, 성능 해석, 유동 및 소음 특성, 그리고 최적화 기법까지 포괄적으로 학습하는 이론 중심 강의입니다. 수업유형은: 블로그 기반 자습형 / 이론 중심으로 수강생은 순차적으로 게시되는 서술형 강의노트를 통해 내용을 자습하고, 수식의 해석과 물리적 개념에 기반한 기술 설계 이해를 목표로 합니다.
본 강의에서 사용하는 주교재인 Thomas Carolus의 FAN – Fans Aerodynamic Design, Noise Reduction, Optimization은 원심 팬(Centrifugal Fans), 축류 팬(Axial Fans), 그리고 팬의 소음 해석 및 최적화 기법 전체를 다루는 매우 포괄적인 책입니다. 따라서 이 책 전체를 다루는 한 학기 분량의 강의 계획은 축류/원심 팬 모두를 포함한 팬 공기역학의 통합 설계 및 소음 저감 최적화 과정으로 구성할 수 있습니다. 전체 강의의 적당한 선택으로 학부 과정 수준으로 편성할 수도 있습니다.
현재 게시판을 통한 지면 강의로 시작하지만 향후 동영상 강의로 진행될 수도 있습니다. 또한 강의 계획도 일부 변경될 수 있으며 강의자 개인의 시간 관계상 후속 강의가 늦어질 수도 있습니다.
화면으로만 전달되는 이런 초유의 강의 형태는 거의 보기 힘들 것이므로 이 글을 읽는 사람들은 더욱 더 한 글자라도 놓치지 않도록 정독하시고 다독 하시길 바랍니다。
강의 목표
원심 및 축류 팬의 성능 해석과 공기역학적 설계 원리를 학습합니다. 팬의 블레이드 형상 설계, 유동 손실 예측, 소음 발생 메커니즘을 정량적으로 이해합니다. 그리고 수치해석(CFD) 및 실험 기법을 통해 팬의 최적화 전략을 수립할 수 있도록 합니다.
주요 내용
팬 개요: 팬의 종류, 작동 원리, 비차원 성능 계수 및 Cordier 다이어그램 해석
축류 팬 설계: BEM(Blade Element Momentum) 이론, 자유/혼합 와류 이론, 블레이드 형상 최적화
원심 팬 설계: 슬립 팩터 이론, 임펠러-볼류트 설계, 효율 개선 기법
팬 소음 해석: 소음 발생 메커니즘, 음향 전파, 옥타브 밴드/FFT 분석, 소음 저감 설계
해석 및 실험: CFD 해석(OpenFOAM 등) 개요, 팬 테스트 리그 설계, 데이터 기반 최적화 방법
교재 및 자료
- 주교재: Thomas Carolus, FAN – Fans Aerodynamic Design, Noise Reduction, Optimization
- 부교재:
- Computational Fluid Dynamics (John D. Anderson)
- Aerodynamics of Wind Turbines (Martin O. L. Hansen)
- The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics (F. Moukalled L. Mangani M. Darwish)
주교재에 대한 간단한 소개
Fans
Aerodynamic Design – Noise Reduction -Optimization
Thomas Carolus (emeritus)
Applied Fluid Mechanics and Turbomachinery
Institute for Fluid- and Thermodynamics
University Siegen
Siegen, Germany
이 책 “FAN – Fans Aerodynamic Design – Noise Reduction – Optimization” (Thomas Carolus 저)는 산업용 팬의 공기역학적 설계, 소음 감소 및 최적화에 대한 내용을 다룹니다. 책의 주요 내용을 정리하면 다음과 같습니다.(이 책에 대한 자세한 설명은 별도의 기사를 통하여 제공하였습니다.)
1장 기본 개념 (Basics)
- 팬의 성능 매개변수 정의 (유량, 압력 상승, 효율 등)
- 팬의 선택 기준 및 모델 법칙
- 비차원 성능 매개변수를 통한 팬 종류 비교 (코디에 다이어그램 활용)
우선, 팬의 기본 개념에서는 유량, 압력 상승, 효율 등 주요 성능 매개변수의 정의를 통해 팬의 역할을 수치적으로 파악합니다. 팬을 실제 시스템에 적용할 때 요구되는 성능과 이를 충족시키는 모델 선정 기준, 그리고 무차원화 기법을 이용한 팬의 비교 평가 방법까지 소개합니다. 특히 Cordier 다이어그램을 활용한 팬 종류 간의 상대적 위치 분석은, 형상과 성능 사이의 상관관계를 시각적으로 이해하는 데 도움을 줍니다.
2장 블레이드 성능 및 손실 (Blade Performance and Losses)
- 블레이드 작업 및 유량
- 블레이드 손실 및 효율 정의
- 원심 팬과 축류 팬에서의 유동 운동학 (속도 삼각형)
이어지는 블레이드 성능 분석에서는, 블레이드가 유체에 작용하는 기계적 일의 원리와 그에 따른 유량 제어 기작을 해설하고, 블레이드에서 발생하는 손실과 효율을 공학적으로 정의합니다. 팬의 유동 해석에서 핵심적인 속도 삼각형 개념을 도입하여, 원심 팬과 축류 팬에서의 유동 운동학을 비교하며 실제 블레이드 설계의 토대를 마련합니다.
3장 원심 팬 설계 (Centrifugal Fan Design)
- 블레이드 설계 (유동 미끄러짐, 블레이드 개수, 형상 결정)
- 볼류트 케이싱 설계 및 유동 손실 고려
- 경험적 설계 파라미터 및 최적화 방안
세 번째 단원은 원심 팬 설계에 집중합니다. 유동 미끄러짐(slip), 블레이드 수, 형상 결정과 같은 블레이드 설계 요소를 중심으로, 볼류트 케이싱 설계 시 고려해야 할 유동 손실과 압력 분포도 함께 분석합니다. 경험적 설계 파라미터와 이를 바탕으로 한 최적화 전략은 실용적인 팬 설계 과제에 직접 적용될 수 있습니다.
4장 축류 팬 설계 (Axial Fan Design)
- 반경 방향 균형 방정식 기반의 블레이드 설계
- 저압 및 고압 팬 설계를 위한 BEM 및 Lieblein 방법론
- 블레이드 스큐(Skew) 및 비틀림(Twist) 고려
그다음으로는 축류 팬 설계를 다룹니다. 반경 방향의 균형 방정식을 바탕으로 한 블레이드 설계 기법을 도입하며, 저압형 및 고압형 축류 팬의 설계를 위해 BEM(Boundary Element Method)과 Lieblein의 기법을 활용합니다. 또한 블레이드의 스큐(skew) 및 비틀림(twist)을 반영하여, 공력적 효율뿐 아니라 소음 저감에 기여하는 형상 요소들을 분석합니다.
5장 소음 발생 및 전파 (Sound Generation and Propagation)
- 팬의 공력 소음 발생 메커니즘 (로딩 소음, 난류 유입 소음 등)
- 소음의 전파 및 덕트 내 전파 모드 (덕트 모드 분석)
- 자유장 및 덕트 내 소음 분포 예측
팬의 소음 문제는 설계의 또 다른 중심 축입니다. 팬에서 발생하는 주요 공력 소음은 블레이드 로딩 변화, 유동 불안정성, 난류 유입 등에서 비롯됩니다. 이러한 소음이 덕트 시스템이나 자유음장 내에서 어떻게 전달되는지를 해석하기 위해, 음향 전달의 이론과 덕트 모드의 개념을 학습합니다. 이로써 특정 주파수 대역에서 소음이 증폭되거나 감쇠되는 원인을 예측할 수 있게 됩니다.
6장 소음 예측 방법 (Sound Prediction Methods)
- 경험적 및 반경험적 소음 예측 모델
- 수치 해석적 접근 (CFD 기반 예측)
- 팬 소음의 옥타브 밴드 분석
이어서 다루는 소음 예측 방법론에서는, 경험적 및 반경험적 모델을 통해 간단한 예측식을 소개하고, 수치해석(CFD 기반 접근)을 통해 복잡한 유동 및 압력장의 변화를 통한 소음 산출 과정을 설명합니다. 옥타브 밴드 분석을 통해 소음의 주파수 특성까지 파악할 수 있습니다.
7장 팬 소음의 심리음향 평가 (Psychoacoustic Assessment)
- 소음의 불쾌감 및 품질 평가 기준
- 심리음향적 메트릭을 활용한 소음 분석
소음의 크기뿐 아니라 ‘소음의 질’도 중요한 평가 기준이 됩니다. 이를 위해 심리음향 평가 항목이 도입되며, 사람의 청각 반응에 기반한 불쾌감, 날카로움, 거칠음 등의 정성적 특성을 정량화하는 psychoacoustic metric을 학습합니다. 이는 팬 소음 저감 설계 시, 단순한 데시벨 수치 외의 정성적 만족도를 평가하는 데 필수적인 기준이 됩니다.
8장 저소음 팬 설계 특징 (Noise Reduction Features)
- 블레이드 디자인 변경을 통한 소음 저감 (웨이브 리딩 엣지, 블레이드 스페이싱 조정 등)
- 회전-정지자 간섭 저감 기법
- 케이싱 및 덕트 구조 최적화
저소음 팬 설계에 있어 핵심이 되는 요소들은 블레이드 형상의 세부 조정에 집중됩니다. 웨이브 리딩 엣지(Wavy Leading Edge), 블레이드 간격 조정, 회전자-정지자 간섭 저감 설계 등이 소음 발생 주기를 분산시켜 실질적 소음 저감을 유도합니다. 아울러 팬 하우징 및 덕트의 구조 최적화 역시 소음 전파 경로를 제어하는 데 중요한 역할을 합니다.
9장 실험 및 수치 해석 방법 (Numerical and Experimental Methods)
- CFD를 활용한 유동 해석 및 최적화
- 팬 테스트 리그 및 실험적 소음 측정 기법
- 최적화 알고리즘 적용 사례
마지막으로, 이러한 모든 이론적 근거들을 실험과 수치해석 기반으로 검증하는 방법론을 학습합니다. CFD 해석을 활용한 유동 해석과 성능 평가, 팬 테스트 장치를 통한 실제 유량/압력/소음 측정, 그리고 유전 알고리즘 등 최적화 기법을 적용한 사례 연구까지 다룸으로써, 팬 설계의 이론–실무 간 연결고리를 완성합니다.
이 책은 산업용 팬의 설계와 최적화에 필수적인 내용들을 체계적으로 다루고 있으며, 특히 소음 저감 및 성능 향상을 위한 수치 해석적 접근과 실험적 기법을 강조하고 있습니다. OpenFOAM과 같은 CFD 툴을 활용한 최적화에도 유용한 정보를 포함하고 있어, 팬 설계 연구를 수행하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
이 책의 구성은 독자가 필요한 챕터를 찾아볼 수 있도록 사전처럼 구성되어 있습니다.
하지만 강의는 ‘점진적 개념 축적과 설계 목표 달성’ 중심으로 구성되어야 한다고 생각합니다.
즉, 학생이 “팬을 설계하는 능력을 습득한다”는 학습 목표를 향해 다음 흐름으로 안내되어야 하는 것입니다:
- 팬이 뭔지, 어떻게 동작하는지 이해하고
- 팬의 성능을 수치화하고
- 팬 내부 유동을 이해하고
- 실제 블레이드를 설계하고
- 그것이 왜 시끄러운지 이해하고
- 성능과 소음을 CFD 또는 실험으로 검증한다
따라서 저는 이러한 흐름에 따라 책의 내용을 재구성하여 진행할 것입니다.
또한 강의가 학교강의실에서 행하는 것이 아닌 강의자의 시간이 허락하는대로 진행가능하므로(^^;) 때로는 강의가 축류 팬 설계에 집중하여 사전 협의 없이^^;）3장(원심 팬)은 생략되거나 후반 비교용으로만 언급될 수도 있습니다.
Carolus 교수의 책은 축류/원심 팬을 모두 포함하는 종합 참고서이기 때문에, 교과서 그대로 따라가면 학습자가 초점과 흐름을 잃기 쉽습니다.
또한 Carolus 교수의 책은 전문가에게는 훌륭한 레퍼런스지만, 학생에게는 설명이 압축적입니다. 따라서 개인적인 생각으로는 강의는 책의 순서를 그대로 따르기보다는, 개념, 공학 모델, 설계 적용, 분석 및 최적화 순으로 구성하는 것이 교육 효과상 훨씬 효율적입니다.
또한 소음 챕터(Ch.5~8)는 설계 이후 주제로 따로 묶는 것이 자연스럽습니다. 책에서는 소음 관련 내용을 메커니즘、전파、 예측 그리고 저감 순으로 분리하지만, 강의에서는 다음과 같이 묶어서 학습 효율을 높일 예정입니다.
- 소음 발생 원리 + 예측 모델을 함께 설명
- 소음 저감 기술을 원리와 연계해서 바로 적용
이렇게 하면 학생들이 설계와 소음이 어떻게 연결되는지 맥락적으로 이해하기 쉬워지기를 기대합니다.(현재 계획은 이 부분에서는 보다 나은 강의를 위해 다른 전문가에게 강의를 맡길 계획입니다.)
팬 설계는 단순한 ‘유체 이송장치의 설계’를 넘어, 유동 제어, 열방출, 소음 관리 등 복합적 공학 영역의 통합 설계 문제로 진화해왔습니다. 본 강의에서는 팬 시스템의 성능을 정량적으로 이해하고, 최적화된 공력 및 음향 특성을 갖춘 팬을 설계하기 위한 이론적 기반을 다룹니다.
학습 목표
수강생은 본 강의를 통해 다음과 같은 내용을 습득합니다:
- 팬의 공력적 작동 원리와 기초 유동역학 개념 이해
- 축류 팬 및 원심 팬의 구조 및 설계 변수 분석
- 팬 성능곡선, 효율, 유량, 정압 등 주요 성능 지표 이해
- 팬 소음의 원인과 예측 모델 해석
- CFD를 활용한 팬의 공력 및 음향 최적화 전략 이해
회차별 강의 계획 (총 15회 예정)
| 회차 | 주제 | 내용 | 관련 장 |
| 1 | 강의 개요 및 팬의 역할 | 팬의 역사, 종류, 응용 영역, 기본 작동 원리 | Ch.1 |
| 2 | 팬의 무차원 성능 파라미터 | 압력, 유량, 효율, 팬 법칙, Cordier 다이어그램 | Ch.1 |
| 3 | 팬 유사성 법칙 및 모델링 | 팬 크기 및 회전수 변화 시 성능 예측 | Ch.1 |
| 4 | 팬 내부 유동 및 속도 삼각형 | 축류/원심 팬의 속도 삼각형, 반경 방향 균형 | Ch.2 |
| 5 | 손실 요소 분석 | 유입 손실, 블레이드 로딩 손실, 케이싱 손실 등 | Ch.2 |
| 6 | 축류 팬 설계 개요 및 BEM 방법 | 속도 삼각형, 블레이드 각도/코드 설계 | Ch.4 |
| 7 | 자유/혼합 와류 기반 축류 팬 설계 | 와류 모델 적용, 스페이싱, 코드 길이 최적화 | Ch.4 |
| 8 | 원심 팬의 블레이드 설계 | 임펠러 형상, 슬립 팩터, 스크롤/볼류트 설계 | Ch.3 |
| 9 | 블레이드 형상 최적화 전략 | 트위스트, 스큐, 팁 갭, 로터/스테이터 인터페이스 | Ch.4 |
| 10 | 팬 소음의 발생 원리 | 로딩 소음, 블레이드 통과 소음, 난류 유입 소음 | Ch.5 |
| 11 | 소음의 전파 및 덕트 내 전파 | 음향 모드, 벽면 반사, 전달 손실 | Ch.6 |
| 12 | 소음 예측 및 분석 기법 | 경험적 모델, 옥타브 밴드 예측, FFT 적용 | Ch.6, 7 |
| 13 | 소음 저감 설계 기술 | 비균등 블레이드, 웨이브 리딩 엣지, 팬-덕트 인터페이스 개선 | Ch.8 |
| 14 | CFD 및 실험 기법 | 팬의 CFD 해석 개요(OpenFOAM 등), 테스트 리그 구성 | Ch.9 |
| 15 | 팬 설계 프로젝트 발표 및 종합 토론 | 팬 설계 과제 발표, 피드백, 전체 복습 | 전 범위 |
사용 도구
- 설계 및 수치 계산: MATLAB,C++, Python 등
- 소음 해석: FFT 분석 도구 (MATLAB, C++, Python 등)
- CFD 시뮬레이션: OpenFOAM 등
이 커리큘럼은 팬의 이론적 설계부터 소음 최적화와 수치해석까지 아우르는, 대학원 수준의 완성형 강의 구조입니다.
수강생을 위한 안내 – 선결 학습 배경 요건
「팬 공기역학 설계 및 최적화」는 축류 팬과 원심 팬의 성능 해석, 블레이드 설계, 소음 발생 및 저감 기법, 그리고 CFD 기반 성능 분석까지를 통합적으로 다루는 대학원 전공 과목입니다. 이 과목을 효과적으로 수강하기 위해서는 다음과 같은 기초 배경 지식을 미리 갖추고 오는 것이 권장됩니다.
첫째, 학부 수준의 유체역학은 반드시 이수하셔야 합니다.（당연한 이야기인가요^^;）
팬은 유체의 유동을 다루는 회전기계이며, 설계와 해석 전반에 걸쳐 유속, 압력, 베르누이 방정식, 연속 방정식, 운동량 보존, 에너지 보존 등 기초 유체역학 개념이 핵심적으로 사용됩니다. 특히 축류 팬 설계에서는 속도 삼각형 해석과 반경 방향 유동 균형(Radial Equilibrium) 이론에 대한 이해가 필요합니다.
둘째, 수치해석 또는 공학수학에 대한 기초 이해가 있으면 실습 수행에 매우 도움이 됩니다.
팬 설계 과정에서는 수치 계산이 자주 등장하며, 유한차분법(Finite Difference Method), 수렴 조건, 간단한 반복 계산 로직에 대한 기본 개념이 요구됩니다. 다만, 본 강의에서는 이러한 수치 기법에 대한 깊은 이론보다는 응용 위주로 접근하므로, 이 부분은 필수는 아니지만 사전 복습이 권장됩니다.
셋째, 기초 열역학 개념, 즉 일률(Power), 효율(Efficiency), 이상기체 관계식 등도 활용됩니다. 팬의 출력과 성능 해석에서는 에너지 전달과 변환 개념이 적용되므로, 에너지 보존과 효율 정의에 익숙하다면 내용 이해가 훨씬 원활합니다.
마지막으로, 강의에서는 MATLAB, C++, Python 중 하나의 수치 계산 도구를 활용한 실습이 진행될 예정입니다. 고급 프로그래밍 실력은 필요 없으며, 반복 계산이나 시각화 작업을 수행할 수 있을 정도의 기초적인 사용 경험이 있다면 충분합니다. 실습 도구는 개인의 편의에 따라 선택할 수 있도록 유연하게 운영될 예정입니다.
본 과목은 학부 수준의 유체역학을 필수 전제로 하며, 수치해석, 열역학, 수치 계산 도구의 기초 지식을 갖추고 있어야 보다 깊이 있는 학습이 가능합니다.
시간이 허락한다면 강의 시작 전 필요한 경우 특정 주제에 대한 ‘기초 개념 요약자료’ 등을 통해 자가 학습을 돕겠습니다.
팬이라는 기계를 공학적으로 설계하고 분석하는 흥미로운 여정에 함께 하시길 기대합니다.
