원심형 블로워의 비정상 유동 특성에 관한 연구

Abstract

3차원 비정상 수치해석을 이용해 원심형 블로워의 비정상 유동 특성에 관한 연구를 수행하였다. 압축시스템의 영향을 고려하기 위하여 3차원 해석에 1차원 시스템 모델을 적용하였다. 임펠러 출구 벽 압력 섭동량을 통해 블로워의 소음을 예측하였고 이를 실험결과와 비교하였다. 주파수 분석과 내부 유동 관찰을 통해 유량별 소음특성을 살펴보았다. 임펠러 출구에서의 벽 압력 섭동량에 의한 음압레벨은 유량에 따라 블로워 전체 소음과 유사한 경향을 보인다. 주파수 분석 결과 각 유량별로 특정 주파수가 주요하게 나타났고 이들은 특정 유동 현상과 관련이 있다. 설계점 유량에서는 BPF성분과 그 하모닉 성분들이 주요 소음원으로 작용한다. 유량이 줄어들면서 임펠러 내부에 원주방향 비균일한 저속구간이 주기적으로 발생하기 시작하며 이에 해당하는 2~4kHz 영역의 소음크기가 증가하여 전체 소음레벨이 증가한다. 보다 적은 유량에서는 박리구간이 임펠러 전 블레이드에 걸쳐 성장하며 임펠러 출구에서 원주방향으로 균일한 유동이 형성되어 톤소음이 줄어들고 2~4kHz영역의 소음도 감소한다. 스톨 영역에 가까운 저유량에서는 저주파수 영역의 광대역 소음이 우세하며 톤소음이 작다. 수치해석과 실험 모두 임펠러 출구에서 로테이팅 스톨이 발견되지만 그에 해당하는 주파수는 차이를 보인다. 시스템 모델을 적용한 결과에서는 해당유량에서 스톨 특성을 다르게 예측하는데, 시스템 변수를 실제와 유사하게 모사함으로써 더 정확한 스톨현상을 예측할 수 있을 것으로 기대된다. 시스템 모델을 적용함으로써 유량 및 압력 섭동이 발산하는 운전점을 서지포인트로 예측하였다. 덕트 단면적과 길이, 플레넘 부피 등의 시스템 변수는 서지 포인트와 서지특성 주파수에도 영향을 미치는데 서지 포인트는 무차원수인 B파라미터와 관계가 있고 서지 주파수는 시스템의 헬름홀츠 주파수와 선형적 관계가 있음을 확인하였다.

In this study, 3-D unsteady numerical calculation of a centrifugal blower has been conducted to investigate on the unsteady flow in a centrifugal blower. A 1-D model of compression system is adopted to the 3-D calculation to consider effects of all components of the system. Noise level was predicted by measuring wall pressure fluctuation at the impeller outlet and the results were compared with the experimental data. The wall pressure fluctuations at the impeller outlet were transformed into the frequency domain by Fourier decomposition to find the relationship between flow behaviors and noise characteristics. The sound pressure level (SPL) which is obtained from wall pressure fluctuation at the impeller outlet shows similar trend with the overall sound level of the blower. The sound spectra show that there are some specific peak frequencies at each mass flow rate and they are related with the flow behaviors. At the design point, BPF and its harmonic components are the main sources of noise. As the flow rate decreases periodic separations begin to occur at certain locations of the impeller blade and nonuniformity increases in the circumferential direction. As a result, noise components of 2~4kHz increase and they lead to rise in overall noise. At the operating point of less mass flow rate, the separations in the impeller grow to overall blades and more uniform flow along circumference is established at the impeller outlet. So the tonal noise and 2~4kHz components decrease. At low flow rate near stall, the low frequency broad band noise that has no specific frequency covers other tonal noise. The rotating stall at the impeller outlet and its related noise frequency are found. Although there are some differences in the frequency between the CFD and the experimental results, the phenomenon itself can be found in both results. In the results of adopting 1-D system model the stall characteristics are differently predicted. So it can be expected that more reasonable results can be got using real spec of the compression system. By adopting system model, surge point where the fluctuations of the pressure and the mass flow rate diverge is predicted. The system variables of system such as the length and the sectional area of the duct or the volume of the plenum affect the surge point and the surge frequency. The Surge point is related to the dimensionless number B and the surge frequency has a linear relationship with the frequency of Helmholtz resonance of the system.