Large Eddy Simulation on the Drag and Static Pressure Acting on the Blade Surface of Three-Dimensional Small-Size Axial Fan with Different Operating Loads

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(1)한국동력기계공학회지 제21권 제2호 pp. 57-63 2017년 4월 ISSN 1226-7813(Print) ISSN 2384-1354(Online) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2017.21.2.057 Vol. 21, No. 2, pp. 57-63, April 2017. 운전부하에 따른 3차원 소형축류홴 날개표면에 작용하는 정압과 항력에 대한 대규모와 모사 Large Eddy Simulation on the Drag and Static Pressure Acting on the Blade Surface of Three-Dimensional Small-Size Axial Fan with Different Operating Loads 김장권*†․오석형** Jang-Kweon Kim*†and Seok-Hyung Oh** (Received 10 January 2017, Revision received 29 March 2017, Accepted 30 March 2017) Abstract : The large-eddy simulation(LES) was carried out to evaluate the drag and static pressure acting on the blade surface of a small-size axial fan(SSAF) under the condition of unsteady-state, incompressible fluid and three-dimensional coordination. The axial component of drag coefficient increases with the increase of operating load, but the radial components have negligible sizes regardless of operating loads. Otherwise, the static pressures acting on the blade surfaces of SSAF show different distributions around the operating point of D equivalent to the stall. Also, with the increase of operating load, the static pressures acting on the pressure and suction surfaces of blade concentrate at the tips and leading-edges as a whole. Key Words：Courant Number, Drag, Dynamic Subgrid-Scale, Initial Time Interval, Large Eddy Simulation (LES), Small-Size Axial Fan(SSAF), Static Pressure. 1. 서 론. 부하가 변함에 따라 그 위치가 변하게 된다.1-4) 이 것은 SSAF가 사용되는 장소에 따라 나타나는 시. 직경 100 mm 내외의 크기와 매우 얇은 날개두. 스템저항에 따른 것이다. 결과적으로 SSAF를 통. 께를 갖는 플라스틱소재의 소형축류홴(small-size. 과한 유동장은 압력부하가 증가함에 따라 실속. axial fan, 이하 SSAF라고 함)은 컴퓨터 중앙처리. (stall)의 영역이전에서는 전형적인 축류유동을 보. 장치의 냉각이나 냉장고의 냉기이송 및 압축기의. 이다가 실속(stall)의 영역을 벗어나서는 유동이 주. 열 배출에, 그리고 전자레인지의 열 배출 등에 널. 어진 압력을 이기지 못해 축방향(axial)으로 원활. 리 사용되고 있다. 이와 같은 SSAF는 설치된 시. 히 흐르지 못하고 반경방향(radial)으로 확산된 상. 스템(system) 속에서 일정한 회전수로 구동시키면,. 태에서 그 크기가 점차 작아진다고 연구된바가. 공력성능곡선에서 운전점(operating point)은 압력. 있다.1-4) 저자들은 앞선 연구들에서 위와 같은 사. *†김장권(교신저자) : 군산대학교 동력기계시스템공학과 *†Jang-Kweon Kim(corresponding author) : Department of Power System Engineering, Kunsan National University. E-mail : [email protected], Tel : 063-469-1848 E-mail : [email protected], Tel : 063-469-1848 **오석형 : 군산대학교 기계공학부 **Seok-Hyung Oh : School of Mechanical Engineering, Kunsan National University.. 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 57.

(2) 운전부하에 따른 3차원 소형축류홴 날개표면에 작용하는 정압과 항력에 대한 대규모와 모사. 실들을 확인한바가 있다.2-4) 그러나 부하변동에 따 라 SSAF를 지나는 유동이 변함에 따라 날개표면 에 걸리는 항력(drag)과 압력분포가 어떻게 분포 되어 나타나는지는 지금까지 연구된 바가 없다. 이것은 실험만으로는 많은 비용과 난이도 때문에 손쉽게 시도할 수 없기 때문으로 사료된다. 따라서 이번 연구에서는 SSAF의 날개표면에 작용하는 항력과 압력분포를 운전점의 위치에 따 라 보다 정확하게 해석하기 위해 시간이 많이 소 요되는. 단점은. 있지만,. 수치해석의. 정확도가. Fig. 1 Geometry configuration for the numerical analysis of SSAF. RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방법보다 더 높다고 잘 알려져 있는 대규모 와 모사(large eddy simulation, 이하 LES라고 함) 기법5)을 도입 하였다. 여기서 LES는 완전한 형태의 실제크기를 갖는 SSAF의 모델을 가지고 3차원, 비압축성, 비 정상상태로 해석하기 위해 홴의 회전효과를 계산 에 반영할 수 있도록 미끄럼격자(sliding mesh) 방 식을 탑재한 상용소프트웨어인 SC/Tetra(ver. 8)5)를 이용하였다.. 2. 수치해석 Fig. 2 Geometry configuration between SSAF and. 2.1 해석모델 Fig. 1은 직경 110 mm인 실제 크기의 SSAF를 LES로 해석하기 위해 사용한 챔버(chamber)의 기. bellmouth Table 1 Specification of SSAF. 하학적 형상과 치수들을 나타내며, 동시에 수치해. Items. 석을 위해 사용한 경계조건들도 표시하고 있다.. Hub diameter (mm). 25. 벨마우스(bellmouth)를 기준으로 앞뒤에 붙인 챔버. Blade depth (mm). 27.315. 들의 크기는 SSAF의 주 유동이 챔버 벽면에 영향. Blade thickness (mm). Max 2. 을 받지 않도록 반경 500 mm, 길이 1000 mm로 설. Blade curvature radius (mm). 109.24. Chord length at tip (mm). 65.58. 계하였다. Fig. 2는 Fig. 1에서 적용한 SSAF와 벨마우스의. Specification. Chord length at hub (mm). 13.33. 설치조건을 나타낸 그림이다. 여기서 SSAF의 다. Blade inlet angle (°). 98.08. 른 제원들은 Table 1에 요약하였다. 한편, Fig. 3은. Blade outlet angle (°). 51.16. 계산영역을 위해 만든 Fig. 1의 격자(mesh) 형상을. Blade rake angle (°). 5.14. 나타내며, 이것은 Fig. 1을 상용 소프트웨어인. Solidity at tip (-). 0.7591. CATIA(V5R18)로 모델링한 후, SC/Tetra의 전처리. Solidity at hub (-). 0.6789. Blade attachment angle (°). 24.28. 기능을. 이용하여. 경계조건을. 부여한. 다음,. "Octree"기능을 이용하여 격자를 구성하는 총 요 소(element) 수를 4,395,460개가 되도록 만들었다.. 58 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월. 또 해의 수렴성을 높이기 위해서는 SSAF와 벨마 우스 및 챔버 벽면에 각각 2개의 프리즘층(prism.

(3) S, static pressure coefficient. 김장권 ․ 오석형. 0.6 0.5 0.4. Symbol Index LES(N=2400 rpm) LES_Curve Fit s. F. 0.3 0.2. E. B. 0.1. 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 Table 2 Flowrate and static pressure coefficients of Fig. 3 Mesh configuration for numerical analysis layer)들을 삽입하였다.. 2.2 수치기법. operating points selected in Fig. 4 Operating point. Flowrate coefficient, (). Static pressure coefficient, ( ). A. 0.29087. 0. B. 0.23160. 0.1026. Fig. 1과 같이 이번 연구에서는 벨마우스 및 챔. C. 0.19144. 0.1494. 버 벽면의 조건들을 모두 점착(no-slip) 조건으로. D. 0.16513. 0.1703. 설정하였다. 또 입구벽면은 다양한 압력을 부여하. E. 0.15758. 0.2168. 기 위해 정압조건으로, 그리고 출구벽면은 대기압. F. 0.08698. 0.4573. 조건으로 각각 설정하였다. 또 SSAF의 회전수는 2,400 rpm을 적용하였다. 한편, LES의 아격자모델 (subgrid-scale. model)은. Dynamic. 3. 해석결과 및 고찰. Smagorinsky. model을 사용하였으며, 시간미분항은 2차 Implicit. 3.1 항력계수 분포. 기법을, 대류항은 2차 중앙차분(central difference). Fig. 4는 SSAF를 LES로 해석한 유량계수()에. 기법을 각각 적용하였다. 또 이산화(discretization). 따른 정압계수( )들을 나타낸 그림이다.2-4) 여기. 된. 모두. 서 유량계수와 정압계수는 각각 식 (1)과 식 (2)로. SIMPLEC을 사용하였다. 또 초기시간간격은 SSAF. 정의하였으며, 압력부하의 변동에 따른 운전점들. 방정식들의. 압력보정. 알고리듬에는. 의 최소격자크기와 회전수를 고려하여 4.95×10 으. 은 A부터 F까지 총 6가지로 선정하였으며, 정량. 로 정하였으며, Courant수는 어떠한 시간간격에도. 적인 자료들은 Table 2에 나타내었다.. 영향을 받지 않는 해석결과를 얻기 위해서 1로 정.         . (1).      . (2). -5. 5). 하였다 . 이를 토대로 질량유량(mass flux)이 충분 히 안정을 보이는 10만회까지 비정상상태로 해석 을 한 다음, 시간평균을 하기 위해 10만회의 결과 를 바탕으로 다시 10만회를 더 해석하여 얻어진 결과들을 분석하였다.. 단,  는 풍량[m3/min],  는 홴 외경[m],  는 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 59.

(4) 운전부하에 따른 3차원 소형축류홴 날개표면에 작용하는 정압과 항력에 대한 대규모와 모사. 허브(hub)직경[m],  은 회전수[rpm], 는 중력가. Fig. 5에서 SSAF의 Z방향성분(축방향)의 항력. 속도[m/s2],  는 정압[mmH2O], 는 원주율,  는. 계수    는 유량계수의 증가에 따라 운전부하. 공기비중량[N/m3]이다.. 가 줄어들기 때문에 유동이 그만큼 원활하게 흐. Fig. 5는 운전점에 따라 SSAF의 날개가 받는. 르게 되어 감소하는 분포를 나타내며, 특히 실속. 항력계수(  )를 나타낸 그림이다. 여기서 항력계. 영역에 가까운 운전점 C와 D위치에서는 비슷한. 수는 식 (3)으로 정의하였다.. 크기를 보이고 있다. 반면에 SSAF의 양력(lift)으 로도 볼 수 있는 항력계수의 X방향성분{   }과.      . (3). 보이나 전체적으로 유량계수에 관계없이 매우 작. 단, 힘  는 SSAF가 받는 압력과 응력에 의한 힘[N]들의 합이고,  는 밀도[kg/m3],  는 원주속 도[m/s],  는 투영면적[m2]이다.. 임을 알 수 있다. Fig. 6은 운전점에 따라 SSAF의 날개가 받는 그림이다. 점성력에 의한 축방향성분의 항력계수. Symbol. 0.6 CD, Drag coefficient. 은 크기를 보여, 그 크기들은 거의 무시할 수준. 점성응력에 의한 힘으로 항력계수(   )를 나타낸. 0.7 Index (CD)X (CD)Y. 0.5. (CD)Z. 0.4.     는 유량계수의 증가에 따라 음의 값을 가 지며 감소해 가지만 그 크기들은 Fig. 5의 항력계 수     에 비하면 매우 작은 크기임을 알 수 있 다. 또 유량계수의 증가에 관계없이 점성에 의한. 0.3. X방향성분의. 항력계수{    }와. Y방향성분의. 0.2. 항력계수{    }들은 거의 0에 가까운 크기들을. 0.1. 나타내고 있다. 따라서 Fig. 5의 항력계수    . 0.0. 는 점성응력에 의한 힘보다 압력에 의한 힘에 더. 0.05. 0.10. 0.15. 0.20. 0.25. 0.30. , flow coefficient. Fig. 5 Drag coefficient profiles versus flow coefficient. CDS, Drag coefficient by stress force. Y방향성분{    }들은 운전점 D에서 약간 솟아. 크게 영향을 받기 때문에, Fig. 4의 정압성능에 크 게 의존함을 알 수 있다.. 3.2 표면압력 분포 Fig. 7은 SSAF의 유동입구 측에 해당하는 날개. 0.004 Symbol. 0.002. Index (CDS)X (CDS)Y (CDS)Z. 0.000. (blade)의 압력표면(pressure surface)에 작용하는 정 압분포들을 운전부하별로 해석한 그림이다. 운전부하에 관계없이 허브근처 영역에서 정압 분포는 모두 음압을 보이고 있다. 또 전형적인 축 류유동을 보이는 운전점 A와 B의 정압분포는 날. -0.002. 개 끝단(tip)부와 날개 전연(leading edge) 및 후연 (trailing edge)을 제외하곤 비교적 넓은 범위의 날. -0.004. 개표면에서 비교적 고른 크기의 양의 정압을 보 -0.006 0.05. 0.10. 0.15. 0.20. 0.25. 0.30. , flow coefficient. Fig. 6 Drag coefficient profiles by stress force versus flow coefficient. 60 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월. 여주지만, 날개 후연 끝단부 근처에서는 정압이 집중 발달하는 모습을 보여준다. 그러나 운전부하 가 증가할수록 운전점 C에서 정압분포는 반경류 의 영향이 더해지면서 날개 후연 끝단부 근처에.

(5) 김장권 ․ 오석형. Fig. 7 Static pressure profiles acting on the pressure surface of blade according to the change of operating point. 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 61.

(6) 운전부하에 따른 3차원 소형축류홴 날개표면에 작용하는 정압과 항력에 대한 대규모와 모사. Fig. 8 Static pressure profiles acting on the suction surface of blade according to the change of operating point. 62 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월.

(7) 김장권 ․ 오석형. 서 양의 값으로 가장 크게 집중 발달하다가 운전. 1) 운전부하가 증가할수록 날개에 작용하는 축. 점 D이후부터 감소하게 된다. 한편, 완전히 반경. 방향 항력계수는 증가하며, 특히 실속부근의 영역. 방향으로 유동이 형성되는 운전점 E를 거쳐 F에. 에서는 비슷한 크기를 보이고 있다.. 서는 날개 후연 쪽으로 넓은 영역에 걸쳐서 정압. 2) 반경방향으로 작용하는 항력계수는 운전부. 크기가 분포되어지는 특징을 보이며, 특히 날개. 하에 관계없이 축방향 항력계수에 비해 현저히. 전연, 끝단부, 후연 측에서는 음압의 분포가 더 강. 작은 크기를 보여 무시할 수 있는 수준이다.. 하게 나타나고 있다. 결과적으로 Fig. 4에서 실속. 3) 축방향 항력계수의 크기는 압력성분에 의한. 의 특징을 보이는 운전점 D를 전후로 해서 날개. 영향이 점성응력성분보다 훨씬 크게 작용하며, 반. 의 압력표면에 작용하는 정압분포의 모습들이 다. 경방향의 항력계수도 같은 현상을 보이나 그 크. 르게 변화됨을 알 수 있다. 이것은 압력부하변동. 기들은 모두 매우 작다.. 에 따라 SSAF 후류의 유동양식이 축류유동에서. 4) 날개의 압력표면 및 흡입표면에 작용하는 정. 반경유동으로 변하면서 또 날개 끝단부에서의 누. 압분포는 실속의 특징을 보여주는 운전점 D를 전. 설 등에 의해 나타나는 현상으로 판단된다.. 후로 해서 아주 다른 모습을 나타낸다.. Fig. 8은 SSAF의 유동출구 측에 해당하는 날개 의 흡입표면(suction surface)에 작용하는 정압분포. References. 들을 운전부하별로 해석한 그림이다. 운전점 A에 서 날개 압력표면에 작용하는 정압은 날개 전연. 1. S. C. Morris, J. J. Good and J. F. Foss, 1998,. 과 전연 끝단부에서 양압력분포를 보이나, 나머지. "Velocity Measurements in the Wake of an. 날개 영역에서는 음압크기를 보이며, 특히 날개. Automotive Cooling Fan", Exp. Thermal and. 후연에 가까운 끝단부에서 음압이 집중 발달하고. Fluid Science, Vol. 17, pp. 100-106.. 있다. 이와 같이 날개 끝단부에서 집중 발달된 음. 2. J. K. Kim and S. H. Oh, 2016, "An Investigation. 압은 운전부하가 증가할수록 날개 전연 쪽으로. on Turbulent Flow Characteristics According to. 이동하면서 그 절대크기는 더 강해짐을 알 수 있. the. 다. 또 날개 전연에서 형성된 음압 분포도 운전부. Small-Size Axial Fan by Large Eddy Simulation",. 하가 증가할수록 그 절대크기는 더 강해짐을 알. Operating. Loads. of. Three-Dimensional. J. of the KSPSE, Vol. 20, No. 1, pp. 50-56.. 수 있다. 특히 날개 전연의 허브에서 시작해서 날. 3. J. K. Kim and S. H. Oh, 2015, "A Study on the. 개 후연 쪽으로 강하게 발달하는 정압분포로 인. Structure of Turbulent Flow Fields According to. 해 날개의 정압분포가 뚜렷이 2분화되는 모습이. the. 운전점 D부터 나타나 운전점 F에서 절대크기가. Small-Size Axial Fan by Large Eddy Simulation",. Operating. Loads. of. Three-Dimensional. 가장 강하게 형성됨을 알 수 있다. 한편, 운전점 F. J. of the KSPSE, Vol. 19, No. 5, pp. 80-85.. 에서 정압분포는 반경방향으로 향하는 유동으로. 4. J. K. Kim and S. H. Oh, 2015, "Large Eddy. 인해 벨마우스 쪽으로도 음압이 넓게 형성됨을. Simulation on the Aerodynamic Performance of. 보여준다.. Three-Dimensional Small-Size Axial Fan with the Different Depth of Bellmouth", J. of the KSPSE,. 4. 결 론. Vol. 19, No. 6, pp. 19-25. 5. SC/Tetra(Version 8), 2010, User's Guide, Soft-. 실물 크기의 3차원 SSAF 모델을 3차원, 비압축. ware Cradle Co., Ltd.. 성에서 LES로 해석한 결과, 날개에 작용하는 항 력과 압력분포특성은 다음과 같다.. 한국동력기계공학회지 제21권 제2호, 2017년 4월 63.

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