선박엔진 EGB 배관의 오리피스 휘슬소음 제어를 위한 linearized Navier-Stokes기반 소음예측 기술

Abstract

산업현장에서 오리피스는 감압조절을 하기 위해 배관계에 설치되어 있지만 갑작스러운 단면적 확장에 의한 압력강하로 인해 와류현상과 함께 휘슬링 소음이 발생할 수 있다. 휘슬링은, 오리피스 등에서 불안정한 와류가 발생하면 그로 인해 와류가 더 커지게 되고 배관계의 특정주파수 범위에서 입력된 음향파워보다 더 많은 음향파워를 방출하는 현상으로 볼 수 있다. 휘슬링이 발생하는 특정주파수 범위에서 배관계와 공명하는 경우, 증폭 현상이 발생하게 되어 배관계의 피로파괴로 이어질 수 있으며, 높은 수준의 소음이 배관계 주위 및 배관계를 통해 외부로 전파되기도 한다. 본 연구에서는, 선박용 엔진의 터보차저를 보호하기 위하여 특정 RPM 이상에서 배기가스를 bypass (Exhaust Gas Bypass: EGB) 시키는, 배관내의 오리피스에서 발생하는 휘슬링 소음특성의 규명 방법에 대하여 해석을 통하여 검증하고 오리피스 형상 변경을 통한 소음제어 방법에 대하여 분석하였으며 실선 적용 가능성을 검토하였다. 소음특성 규명방법으로 유동해석 결과를 이용하여 음향해석을 수행하는 hybrid방법을 사용하였다. 유동해석은 Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) k-ε 모델을 사용하여 정상 상태 평균 유동장에 대한 특성을 계산하였으며, 음향해석은 linearized Navier-Stokes (LNS)을 평면파로 가정하여 평균 유동장으로부터 발생하는 섭동값에 대한 산란의 특성을 주파수영역에서 해석하였다. Two-source 가진방법을 이용하여 구한 산란 행렬 (scattering matrix) 로부터 오리피스의 음향특성 및 휘슬링이 발생할 수 있는 주파수 대역을 예측하였다. 오리피스의 앞 단에 bevel 각도의 변화에 따른 휘슬링이 발생하는 특성주파수의 변화 및 휘슬링 소음제어에 대한 가능성을 확인하였다. 그리고 실제 선박용 엔진에 대하여 위에서 제시한 해석방법을 통하여 휘슬링 발생 유무를 검토한 결과 실선 적용 가능성을 확인할 수 있었다.