Large Eddy Simulation on the Vorticity Characteristics of Three-Dimensional Small-Size Axial Fan with Different Operating Points
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(2) 김장권 ․ 오석형. 하 SSAF라고 함)을 일정 회전수로 구동시켜 압력 부하를 변화시키면, 유량이 변하면서 공력성능곡 선이 얻어지게 된다. 이와 같은 SSAF를 유로시스 템에 설치하면, 비로소 운전점(operating point)이 얻어지게 된다. 결국 이 운전점이 공력성능 곡선 상에서 어느 위치에 존재하느냐에 따라 SSAF를 통과한 하류(downstream) 유동장은 다른 유동양식 을 갖게 된다. 즉 압력부하가 증가함에 따라 전형 적인 축류유동을 보이다가도 불안정성을 보이는 실속(stall)의 영역을 벗어나서는 유동이 축방향. Fig. 1 Geometry configuration for the numerical analysis of SSAF. (axial)으로 원활히 흐르지 못하고 반경방향(radial) 으로 확산된 상태에서 그 크기가 점차 작아진다 고 연구된바가 있다.1-4) 한편, 저자들은 지금까지 운전점의 위치에 따라 얻어지는 유동장의 구조와 난류유동 특성치들을 대규모 와 모사(large eddy simulation, 이하 LES라 고 함) 기법5)으로 수치해석을 한 바가 있다.2,3) 그 러나 이 같은 상황에서 SSAF의 하류 유동장에서 발생하는 와도의 특성들이 운전점 위치에 따라 어떻게 분포되어 나타나는지는 지금까지 연구된 바가 없다. 따라서 이번 연구에서는 이를 확인하기 위해 시간이 많이 소요되는 단점은 있지만, 수치해석의 정확도가 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 기법보다 더 높다고 잘 알려져 있는 LES기법4)을 도입하여 SSAF의 하류 유동장의 와도특성을 운전 점의 위치별로 해석하였다. 여기서 LES는 완전한 형태의 3차원 SSAF의 모델을 3차원, 비압축성, 비 정상상태로 해석하기 위해 SSAF의 격자를 실제 회전시키지 않고서도 회전효과를 계산에 반영할 수 있는 미끄럼격자(sliding mesh) 방식을 탑재한 상용소프트웨어인 SC/Tetra(ver. 8)5)를 이용하였다.. 2. 수치해석 2.1 해석모델 Fig. 1은 직경 110 mm의 SSAF를 해석하기 위해. Fig. 2 Geometry configuration between SSAF and bellmouth Table 1 Specification of SSAF Item Blade thickness (mm) Blade curvature radius (mm) Chord length at tip (mm) Chord length at hub (mm) Blade inlet angle (°) Blade outlet angle (°) Blade rake angle (°) Solidity at tip (-) Solidity at hub (-) Blade attachment angle (°). Specification Max. 2 109.24 65.58 13.33 98.08 51.16 5.14 0.7591 0.6789 24.28. 주 유동이 계산영역의 크기에 크게 영향을 받지 않도록 직경 및 길이를 각각 1000 mm로 설정하였다.. 사용한 챔버(chamber)의 기하학적 형상과 경계조. Fig. 2는 Fig. 1에 적용한 SSAF와 벨마우스의. 건들을 나타내고 있다. 벨마우스(bellmouth)를 기. 설치조건을 나타낸 그림이다. 여기서 허브직경은. 준으로 앞뒤에 붙인 원통 챔버의 크기는 SSAF의. 25 mm이며, 벨마우스의 곡률과 깊이는 모두 11. 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월 65.
(3) 운전점에 따른 3차원 소형축류홴의 와도 특성에 대한 대규모 와 모사. S, static pressure coefficient. 0.7 0.6 0.5 0.4. Symbol Index LES(N=2400 rpm) LES_Curve Fit s. F. 0.3 0.2. E. 0.1. B D. 0.0 0.00. 0.05. 0.10. 0.15. A. C. 0.20. 0.25. 0.30. , flowrate coefficient. Fig. 4 Static pressure coefficient profiles versus flow coefficient 수는 2400 rpm을 적용하였다. Fig. 3 Mesh configuration for numerical analysis. 한편, LES의 Subgrid-scale 모델에는 Dynamic Smagorinsky model을 사용하였으며, 시간미분항은. mm이다. 특히 SSAF와 벨마우스의 설치조건은 날. 2차 Implicit기법을, 대류항은 2차 중앙차분(central. 개가 벨마우스 출구 쪽으로 10 mm 더 튀어나오도. difference)기법을 각각 적용하였다. 또 이산화된. 록 하였다. 그 밖의 SSAF의 제원들은 Table 1에. 방정식들의 압력보정에는 모두 SIMPLEC 알고리. 나타내었다.. 듬을 사용하였다. 또 초기시간간격은 SSAF의 최. Fig. 3은 Fig. 1의 계산영역을 위해 만든 격자. 소격자크기와 회전수를 반영하여 4.95×10-5으로 정. (mesh)형상을 나타낸다. 이것은 상용 소프트웨어. 하였으며, Courant수는 어떠한 시간간격에도 영향. 인 CATIA(V5R18)로 모델링한 후, SC/Tetra의 전. 을 받지 않는 해석결과를 얻기 위해서 1로 정하였. 처리 기능을 이용하여 경계조건들을 부여한 다음,. 다.5) 이를 토대로 질량유량(mass flux)이 충분히. "Octree"기능을 이용하여 격자를 이루는 총 요소. 안정을 보이는 10만회까지 비정상상태로 계산을. (element) 수를 4,395,460개가 되도록 만들었다. 특. 한 다음, 이것을 바탕으로 다시 시간평균을 하기. 히 Fig. 3과 같이 SSAF를 포함한 회전부의 격자. 위해 10만회를 더 계산하여 해석결과들을 분석하. 요소 수는 정확성을 높이고자 총 요소 수의 약. 였다.. 50% 이상이 배치되도록 격자크기를 더 미세하게 분해하였으며, 최종적인 SSAF의 격자크기는 약 0.68 mm로 정하였다. 또 SSAF와 벨마우스 및 챔 버 벽면에는 해의 수렴성을 높이기 위해서 모두 2 개의 프리즘층(prism layer)을 삽입하였다.. 3. 해석결과 및 고찰 Fig. 4는 SSAF를 LES로 해석한 유량계수에 따른 정압계수들을 나타낸 그림이다.2,3) 여기서 유량계수 와 정압계수는 각각 식 (1)과 식 (2)로 정의하였으. 2.2 수치기법 Fig. 1과 같이 이번 연구에서는 벨마우스 및 챔 버 벽면의 조건들을 모두 점착(no-slip) 조건으로 설정하였다. 또 입구벽면은 다양한 압력부하를 부 여하기 위해 정압조건으로, 그리고 출구벽면은 대 기압조건으로 각각 설정하였다. 또 SSAF의 회전. 66 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월. 며, 압력부하의 변동에 따른 운전점들은 최대유량 영역, 실속(stall)근처영역, 고정압영역을 포함해 뚜 렷한 유동특성을 보이는 총 6가지로 선정하였다. . (1).
(4) 김장권 ․ 오석형. . . . (2). . Fig. 5는 SSAF의 Y-Z평면(X=0 mm) 내에서 얻 어진 X방향성분의 와도( )를 운전점들에 따라 나타낸 그림이다. 여기서 X방향성분의 와도는 식. (3). (3)으로 정의하였다.. Fig. 5 X-component of vorticity profiles according to the change of operating point 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월 67.
(5) 운전점에 따른 3차원 소형축류홴의 와도 특성에 대한 대규모 와 모사. Fig. 5에서 X방향성분의 와도 는 최대풍량을. A에서 운전점 F까지 날개끝단부에서 형성되는 각. 나타내는 운전점 A로부터 운전점 F까지 압력부하. 방향 속도분포들의 크기2)가 압력부하에 따라 서. 가 증가할수록 날개끝단부를 중심으로 크게 발달. 로 다르게 형성되어 식 (3)과 같이 속도기울기의. 하다가 서서히 소멸해 감을 보인다. 이것은 운전점. 차가 나타나기 때문으로 판단된다. 또 날개끝단부. Fig. 6 Z-component of vorticity profiles according to the change of operating point 68 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월.
(6) 김장권 ․ 오석형. 에서 발생한 운전점 A에서 B까지의 와도 는 축. 는 것으로 판단된다.. 방향(-Z)쪽으로 발달하여 나타나지만, 압력부하가. 4. 결 론. 증가함에 따라 운전점 C부터는 축방향으로보다는 반경방향(Y)쪽으로 더 발달해 나가다가 운전점 E 이후에서는 완전히 반경방향으로만 발달하면서 소멸해 가는 경향을 보이고 있다. 따라서 운전점. 실제 크기의 3차원 SSAF 모델을 LES로 전산 해석하여 얻어진 와도특성은 다음과 같다.. E가 축방향으로 유동이 원활히 흐르지 않는 실속. 1) Y-Z평면 내에서 형성된 날개 끝단부를 중심. 이 시작된 구간으로 볼 수가 있다. 한편, 허브에서. 으로 발달한 X방향성분의 와도( )는 압력부하의. 의 와도 는 주로 축방향으로 유동이 형성되는. 증가에 따라 축류방향에서 반경방향으로 바뀌며,. 운전점 A와 B의 경우 하류 측에서 크게 발달하지. 분포밀도는 감소한다.. 만, 압력부하가 증가할수록 운전점 D부터는 상류. 2) 허브에서 발달한 와도 는 주로 축방향으. 측에서 더 발달해 가는 모습을 보여주고 있다. 이. 로 유동이 형성되는 운전점 A와 B의 경우 하류. 것은 압력부하가 증가할수록 축방향으로 유동의. 측에서 크게 발달하지만, 압력부하가 증가할수록. 흐름이 원활치 않아 발생하는 현상으로 판단된다.2). 운전점 D부터는 상류 측에서 더 발달해 가는 모. Fig. 6은 SSAF의 날개로부터 출구 쪽으로 1 mm. 습을 보여주고 있다.. 떨어진 X-Y평면 내에서 운전부하별로 얻어진 Z방. 3) X-Y평면 내에서 형성된 Z방향성분의 와도. 향성분의 와도( )를 나타낸 그림이다. 여기서 Z. ( )는 운전점 A와 B에서 날개 반경길이의 절반. 방향성분의 와도는 식 (4)로 정의하였다.. 이후부터 반시계방향으로 회전하는 날개 전연에. . . . (4). 서 후연까지 비교적 고르게 발달하다가 압력부하 가 증가함에 따라 날개 후연 측에서 더 집중 발달 하며, 특히 운전점 E 이후부터는 날개끝단부를 벗. 전형적인 축류유동을 보이는 운전점 A에서 B로 가면서 반시계방향으로 회전하는 날개의 전연. 어나 반경방향인 벨마우스 쪽으로 더 크게 확산 발달하고 있다.. (leading-edge)에서 집중 발달한 Z방향성분의 와도 는 후연(trailing-edge)까지 날개 반경길이의 절반. References. 이후부터 비교적 고르게 발달하다가 특히 날개 후연 측에서 더 집중되며, 허브 내에서도 발달하. 1. S. C. Morris, J. J. Good and J. F. Foss, 1998,. 고 있다. 그러나 압력부하가 증가함에 따라 운전. "Velocity Measurements in the Wake of an Automotive Cooling Fan", Experimental Thermal. 점 C부터 D까지는 날개 전연보다는 날개 끝단부 후연 측으로 더 발달하고 있다. 이것은 축류유동 이 압력을 충분히 이기지 못해 축류유동에 반경 유동이 혼재하면서 나타나기 때문으로 판단된다. 또 반경유동을 보이는 운전점 E 이후부터 는 날개끝단부를 벗어나 벨마우스 쪽으로 더 크게 발달해 가면서 실제 크기는 줄어들지만 그 영역 은 더 넓어져 나타나고 있다. 결과적으로 축류홴. and Fluid Science, Vol. 17, pp. 100-106. 2. J. K. Kim and S. H. Oh, 2015, "A Study on the Structure of Turbulent Flow Fields According to the Operating Loads of Three-Dimensional SmallSize Axial Fan by Large Eddy Simulation", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 19, No. 5, pp. 80-85.. 록 축류유동이 반경유동으로 변할 때, 형성되는. 3. J. K. Kim and S. H. Oh, 2016, "An Investigation on Turbulent Flow Characteristics According to the Operating Loads of Three-Dimensional Small-. 속도크기 및 분포양상2)에 따라 크게 영향을 받. Size Axial Fan by Large Eddy Simulation",. 에서 형성되는 와도 역시 압력부하가 증가할수. 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월 69.
(7) 운전점에 따른 3차원 소형축류홴의 와도 특성에 대한 대규모 와 모사. Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 20, No. 1, pp. 50-56. 4. J. K. Kim and S. H. Oh, 2015, "Large Eddy. Different Depth of Bellmouth", Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol. 19, No. 6, pp. 19-25.. Simulation on the Aerodynamic Performance of Three-Dimensional Small-Size Axial Fan with the. 5. SC/Tetra(Version 8), 2010, User's Guide, Soft-. 70 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월. ware Cradle Co., Ltd..
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수치
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