유동흐름 덕트내 오리피스 휘슬 소음 제어 연구

Abstract

오리피스는 배관내에 유량측정이나 감압을 위하여 산업현장에서 다양하게 활용되고 있으며, 선박용 엔진에서도 배기 시스템의 한 요소인 EGB(exhaust gas bypass) 배관에 오리피스가 설치되어 있다. EGB 배관은 엔진의 효율을 높이는 터보차저의 과부하를 예방하기 위해 고압의 배기가스를 저압의 receiver로 우회(bypass)시키는 것이 목적이다. 유체가 배관내 오리피스를 통과하면서, 압력강하로 인한 양력의 발생으로 와류가 생성된다. 발생된 와류는 피드백으로 인한 공명으로 세기가 증가함에 따라 강한 순음을 내는 휘슬링 현상이 발생한다고 알려져 있다. 이러한 휘슬링 현상으로 인해 덕트 주위와 출구에서 높은 수준의 소음이 발생하여 문제가 야기되고 있다. 본 연구에서는 배관내의 오리피스에서 발생하는 휘슬링 현상에 대하여 축대칭 모델을 이용한 유동해석과 음향해석을 통하여 규명하고 이를 기존 문헌의 실험 결과와 비교 검증하였다. 휘슬링 제어 방법은 오리피스의 형상변경이나 다중 오리피스의 적용을 통하여 검토하였다. 또한 입구유속과 오리피스 직경 변화를 고려한 해석을 수행하여 다양한 조건의 오리피스에 대한 휘슬링 제어 방법의 적용가능성을 확인하였다. 해석방법으로는 유동해석 결과를 이용하여 음향해석을 진행하는 hybrid 방법을 이용하였다. 유동해석은 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) k-ω SST(shear stress transport) 난류 모델을 사용하여 정상상태의 평균 유동장을 구하였다. 음향해석에서는 LNS(linearized Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 주파수 영역 해석을 수행하였으며 덕트내 평면파로 진행하는 주파수 범위에서 고려하였다. 음향해석 결과를 이용하여 평면파로 진행하는 음장의 밀도로 이루어진 two port system으로 산란행렬을 구하였고, 산란행렬의 고유치해석을 통한 음향 파워의 소산을 계산하여 휘슬링이 발생 가능한 주파수 범위를 예측하였다. 축대칭 모델을 이용한 해석 결과는 참고 문헌의 실험 결과와 유사한 결과를 보였으며, 이에 따라 본 논문에서 사용한 해석 방법의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 휘슬링 현상의 제어를 위해 오리피스 형상 변경(베벨, 다공) 및 이중 오리피스를 이용하는 방법에 대하여 검토하였다. 압력강하가 작아도 되는 경우 단일 오리피스 앞단에 베벨 20~30도를 적용하면 휘슬링이 제어되는 것을 볼 수 있었다. 다공 오리피스나 앞단에 베벨을 적용한 이중 오리피스를 적용한다면 충분한 압력강하와 휘슬링을 제어할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 입구유속이 변하는 경우와 오리피스 직경이 변하는 경우에 대해서 검토한 결과, 다양한 오리피스에 대해서 위에서 제시한 휘슬링 제어 방법이 적용될 수 있을 것으로 기대된다.