회전익의 광대역 소음 발생 및 저감에 관한 수치해석적 연구

Abstract

본 논문은 회전익 시스템 설계에 있어서 중요한 이슈인 블레이드 회전에 의한 유동 소음의 발생과 저감에 대한 연구로 난류 경계층 뒷전 소음, 블런트 뒷전 와류 흘림 소음과 난류 유입에 의한 비정상 하중 소음 및 광대역 소음에 관한 수치 해석적 기법에 대한 연구이다. 회전익의 뒷전 소음 해석 기법의 검증을 위하여 NACA0012 기본 날개를 대상으로 하이브리드 RANS-LES/음향상사이론 연계기법으로 유동 및 소음 해석을 수행하였다. 원지장의 주요 유동장은 계산비용에서 효율이 높은 RANS 모사를 수행하고 근접장의 날개 주위 유동장은 LES 기법으로 비정상 난류 매개변수를 계산하여 높은 정확도의 해석을 수행하였다. 두 영역 간 난류 모사 기법 사이의 불연속성을 해결하기 위하여 무작위 와류 기법을 도입하여 경계면에서 난류 변동을 수치적으로 생성하였다. 소음 해석을 위하여 블레이드를 완전히 둘러싸고 있는 Kirchhoff 표면으로 설정하고 비선형 소음원과 난류 특성을 포함하도록 하였다. 이 표면에 대하여 Ffowcs Williams-Hawkings 방정식을 이용하여 원지장의 수음자 위치에서 광대역 소음을 예측하였다. 또한, 난류 유입 소음 해석을 위하여 비균일 유입류에서 작동하는 DTMB4119 표준 회전익을 대상으로 표면 패널기법을 이용하여 비정상 유동해석을 수행하고 이를 검증하였다. 또한, 음향 상사법에 기반한 음향 패널기법과 수정된 반경험식 모델을 개발하여 회전익의 비정상 하중 소음과 난류 유입 광대역 소음에 대한 멀티밴드 소음 스펙트럼을 예측하고 이를 실험과 비교·검증하였다. 첫째, 난류 경계층 뒷전 소음의 저감을 위하여 톱니형 뒷전 날개에 대한 소음 해석을 수행하고 기본형 날개에 대한 소음 저감 효과를 풍동 시험 데이터와 함께 비교 및 분석하였다. 톱니형 뒷전 형상 설계에 앞서 블레이드 표면의 난류 경계층 두께와 난류 경계층 변위 두께를 수치적으로 예측하였으며, 톱니진폭과 톱니길이의 조합에 따라 원방에서의 광대역 소음을 해석하였다. 톱니형 뒷전에 의한 소형 와류 생성으로 일부 고주파 대역의 음압 레벨이 소폭 증가하였으나 전체적인 회전 블레이드의 난류 경계층 끝단 소음 저감에 효과적이었다. 둘째, 블런트 뒷전 와류 흘림 소음의 발생과 저감에 대한 연구를 진행하였다. 두꺼운 뒷전 두께를 가지는 플랫백 날개의 유동 및 소음 해석을 수행하였다. 플랫백 날개는 얇은 뒷전 두께를 가지는 기본형 날개에 비하여 200 Hz 이하 저주파 대역에서 강한 준분절 특성의 광대역 소음을 발생시켰으며, 해석 결과를 실험 데이터를 이용하여 검증하였다. 블런트 뒷전 와류 흘림 소음 저감을 위하여 사선형 뒷전 날개를 이용하여 유동 및 소음 해석을 수행하였다. 사선형 날개는 플랫백 날개에 비하여 100-200 Hz 에서 약 20 dB 의 소음도 저감 효과를 보여주었다. 이는 블런트 끝단에서 발생하는 강한 보오텍스 페어링으로 인한 블런트 뒷전 와류 흘림 소음 제어를 위하여 사선형 날개를 도입한 결과, 끝단 보오텍스 생성의 공간적 변화로 상단 보오텍스와 하단 보오텍스 간 역결합이 발생하고 결과적으로 보오텍스의 강도가 감소되어 익형 자체 소음 저감이 가능함을 확인하였다. 셋째, 난류 유입에 의한 비정상 하중 소음 및 광대역 소음을 해석하기 위하여 유입류의 난류 강도가 높은 환경에서 작동하는 수중 프로펠러를 대상으로 연구를 수행하였다. 다양한 비균일 반류 유입류에 대한 유동해석을 통해 블레이드 표면 압력 분포를 구하고 시간영역에서 수치적 해석이 용이하도록 변형한 F. Farassat 공식을 이용하여 원지장의 수음자 위치에서의 음압 레벨을 예측하였다. 또한, 기존의 반경험식 모델을 수정하여 Taylor 반류 분수 기법과 전진 속도에 대한 난류 강도 변화를 이용한 난류 유입 소음 예측 모델을 개발하고 회전익의 난류 유입 광대역 소음 해석을 수행하였고 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다. 이상과 같은 본 연구는 회전익의 다양한 유동 소음 발생 메커니즘 해석에 대한 기반 연구로 진행되었으며 고주파 영역에서 강한 소음원인 난류 경계층 뒷전 소음, 중·저주파 영역에서 준분절 특성을 갖는 블런트 뒷전 와류 흘림 소음, 난류 유입에 의한 비정상 하중 소음 및 광대역 소음의 특성을 파악하는데 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 또한 풍력발전기 로터, 터보팬, 항공기 및 수중 프로펠러 등 다양한 회전익의 소음 저감 방안을 마련하는데 활용될 수 있을 것이다.

A primary interest in this thesis has been to investigate the generation and reduction of flow noise mechanism which is the most important issue for the design of rotating blades system. This numerical study has focused on the turbulent boundary layer trailing edge noise, blunt trailing edge vortex shedding noise, and unsteady loading noise and broadband noise induced by turbulence ingestion. The flow and noise analysis has performed and applied to the standard NACA0012 blade using the hybrid RANS-LES and acoustic analogy coupling method for validation of this methodology with sufficient accuracy and cost savings. Herein the far-field flow region is solved in RANS mode for efficient computational cost savings, whereas the near-field flow region is solved in LES mode by using the unsteady turbulent parameters for high computational accuracy. To solve the discontinuity of turbulence simulation method between two regions, the turbulent fluctuations are numerically generated by using the random vortex method. For noise analysis has been based on Lighthills acoustic analogy, starting with the work of Ffowcs Williams, Hall and Hawkings. The interfaces which completely enclose the blade are treated as the Kirchhoff surfaces and the nonlinear flow effects and noise source are contained and analyzed in that inner source region. The far-field acoustics were computed by using the permeable Ffowcs Williams-Hawkings equation for broadband acoustic analysis. For turbulence ingestion noise analysis, the unsteady flow characteristics of the standard DTMB4119 rotating blades in the non-uniform inflow was analyzed and validated using the surface panel method. The acoustic panel method based on the acoustic analogy and the modified semi-empirical formula were used for multi-band noise spectrum analysis of unsteady loading noise and. This results were compared and validated with the experiments. First, the application of serrated trailing edge theories of Howe to the present results has performed to the base wing and compared to the wind tunnel acoustic test data. Before determination of serrated trailing edge geometry, the boundary layer thickness and boundary layer displacement thickness are predicted numerically. The far-field broadband noise has calculated according to the combination of serration amplitude and serration wavelength. Although sound pressure level of serrated wing increased 3 dB in the high frequency region over 5 kHz from the base wing, the overall broadband noise reduction has shown very good agreement with quantitative wind tunnel experiment. The trailing edge serration has produced effective ways to reduce turbulent boundary layer trailing edge of rotating blade system. Second, the numerical prediction on generation and reduction of blunt trailing edge vortex shedding noise for rotating blade system has performed. The flow and noise characteristics of flatback airfoil which has high trailing edge thickness have predicted. The flatback airfoil has produced strong quasi-tonal noise below 200 Hz low frequency region compared to the sharp trailing edge base airfoil and the results has validated through the reference experimental data. The flow and noise analysis of oblique airfoil has applied and performed to reduce vortex shedding noise of flatback airfoil. The oblique structure has shown noise reduction effects up to 20 dB between 100 to 200 Hz frequency regions. The blunt trailing edge vortex shedding noise, generated by strong vortex pairing in the wake of blunt edges, has been reduced by the counter-rotating coupling between upper and lower vortices. This causes rapid increase of vortex core sizes and reduction of vortex strength of the oblique airfoil. Third, the unsteady loading noise and broadband noise of rotating blades noise induced by turbulence ingestion has been analyzed for underwater propellers in the high turbulent wake inflow. The far-field sound pressure level has been calculated using F. Farassat formula with blade geometry and surface pressure distributions according to various non-uniform wake inflow. Additionally, the modified semi-empirical formula has been developed using Taylors wake fraction method and turbulence intensity variation according to the forward speed to predict turbulence ingestion noise of rotating blades broadband noise. The predicted result has produced good agreement with acoustic measurements. Through this study, the generation and reduction of several flow noise mechanisms such as the turbulent boundary layer trailing edge noise, blunt trailing edge vortex shedding noise, and unsteady loading noise and broadband noise induced by turbulence ingestion has analyzed numerically and validated using experiment data. The results might provide an intuition for the noise reduction of various rotating blades such as wind turbine rotor, turbo-fan, aircraft and underwater propellers.