Introduction

원심블로어의 수치해석을 통한 성능평가를 위하여 상용코드인 ANSYS-CFX 13(5)을 사용하였다. 수치계산은 3차원, 압축성 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks)방정식을 유한 체적법으로 이산화하였으며, Pressure based fully coupled implicit방법으로 정상 수치해석을 수행하였다. 난류모델은 유동의 박리현상 해석에 유용한 전단응력이송모델(shear stress transport model)을 사용하였다.(6)

수치계산에 적용된 블로어의 계산영역은 Fig. 2에 나타낸다. 케이싱의 입구와 출구에 직선 관로를 이용하여 입출구 영역을 연장함으로써 안정된 입출구 유동 조건이 되도록 하였다. 입구덕트의 길이는 관경의 5배, 출구덕트는 12배가 되도록 설정하였다. 경계조건으로는 입구는 압력 및 상온 조건을, 출구에서는 질량유량 조건을 각각 적용하였다. 입구면과 출구면을 제외한 모든 벽면에는 점착조건을 적용하였다. 회전조건은 설계 회전수인 1780rpm으로 설정하였다. 입구덕트, 임펠러 및 볼류트케이싱에 대한 해석격자는 Fig. 3에 나타낸다. 임펠러는 ANSYS사의 Turbo-Grid를 사용하여 정렬격자로 생성하였으며, 볼류트케이싱은 ANSYS사의 ICEM CFD를 사용하여 비정렬 격자로 생성하였다. 입/출구 덕트는 정렬격자로 구성하여 계산부하를 줄였다. 본 수치계산에 사용한 원심블로어의 전체 격자수는 약 3,700,000 노드이다. 계산영역에서 회전도메인과 정지도메인의 경계면에서는, 블로어 성능평가 시에는 스테이지(stage)기법을, 내부유동장 특성을 분석할 경우 프로즌 로터(frozen rotor)기법을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였다. 이는 이전의 연구(7)에서 알수 있듯이, 정상수치해석(steady state flow analysis)에서 원심블로어 컷오프(cut off)와 임펠러 날개 설치각의 상대적인 위치에 따라 성능특성이 일정한 스테이지 기법(stage interface)을 블로어의 성능평가에 적용하였다.

Fig. 4 
Performance curve of a test blower(7)

Fig. 5 
Comparisons of pressure along the volute casing(7)

Fig. 6 
Definition of design variables

수치해석의 타당성을 검토하기 위하여, 설계유량조건에서 실험을 통해 측정된 결과를 수치해와 비교하였다. 기본설계 블로어 형상 및 성능곡선은 Fig. 4에 나타내었다. 성능곡선에서 점선의 위치가 설계유량을 나타내며, 기본설계 블로어 효율은 설계유량점 근방에서 최대값을 갖는다. 설계 유량점에서 실험에 의한 압력은 수치해석에서 구한 압력과 잘 일치함을 알 수 있다.

Fig. 5는 설계유량 조건에서 측정한 볼류트 케이싱 외측의 압력 특성을 나타낸다. 실험에서 측정된 압력측정위치는 Fig. 5(a)에 나타내며, 볼류트 케이싱의 컷오프에서 출구까지 총 11곳에서 압력을 측정하였다. 측정된 압력은 절대압(abs)으로 환산하여 대기압(101,325pa)으로 무차원화 하였다. 그림에서 P1은 볼류트케이싱의 컷오프 근방에, P11은 볼류트케이싱의 출구 근방에 각각 위치한다. 볼류트 케이싱을 따른 실험 및 수치결과의 압력 비교를 Fig. 5(b)에 나타낸다. 그림에서 실선은 수치해석 결과를, 마름모는 실험값을 각각 나타낸다. 실험과 수치해석에서 구한 볼류트케이싱 측면에서의 압력차가 최대 2% 이내의 편차범위 내에서 잘 일치함을 알 수 있다. Fig. 5의 수치해는 스테이지 기법을 적용한 결과이다.

Fig. 7은 임펠러 꺽임 길이(l/c) 및 각도(θ)에 대한 블로어 성능특성을 나타낸다. Fig. 7(a)는 꺽임 각도에 따른 블로어 압력특성을 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 전체적으로 θ=0°~5°까지는 압력이 감소하지만, 5° 이후 부터는 각도가 증가함에 따라 압력이 증가하는 경향이 나타난다. 즉, 모든 경우의 꺽임 위치에 대해서 꺽임각이 가장 큰 25°에서 최고 압력값을 가지며, 설정한 변수 범위에서는 꺽임각이 25°, 꺽임 길이가 0.25일 경우가 최고 압력을 가진다. 이는 기존 모델 대비 약 6.3% 증가한 압력이다. 꺽임길이가 상대적으로 낮은 0.1에서는 최고 압력점이 기본 설계 모델(θ=0°)의 경우 보다 전 꺽임각 범위에서 낮음을 확인 할 수 있다.

Fig. 7 (b)는 꺽임각도에 따른 블로어 효율변화를 나타낸다. 그림에서와 같이 꺽임 각도가 증가할수록 효율은 전반적으로 감소하는 경향이 나타난다. 즉, 꺽임길이가 0.2이상에서는 모든 꺽임각 범위에서 유사한 효율값을 갖음을 알 수 있다. 설정 변수 범위에서 최저 효율은 θ=15°, l/c=0.2에서 발생하며, 기본 설계 블로어 대비 약 6.2% 감소함을 알 수 있다.

Fig. 7에서 알 수 있듯이 꺽임 길이와 각도가 증가할수록 압력은 증가하지만, 효율은 감소하는 경향을 가짐을 알 수 있다. 즉 임펠러 날개 후연부에 꺽임길이에 따른 꺽임각의 변형이 블로어 효율보다 압력에 효과적임을 알 수 있다.

Fig. 8은 꺽임각을 15°로 설정하고, 유량에 따른 성능특성을 나타낸다. Fig. 8(a)는 유량에 따른 압력 변화를 나타낸다. 유량계수 0.195이하에서는 꺽임 길이에 대하여 압력이 일정하게 유지되지만 0.195이상에서는 급격한 감소를 나타낸다.

Fig. 8(b)는 유량에 따른 효율 특성을 나타낸다. 그림에서알 수 있듯이 유량계수가 0.195까지는 유량 증가와 함께 효율도 증가하지만, 압력이 급감하는 유량계수(0.195 이상)에서는 효율도 감소함을 알 수 있다. Fig. 8에서 알 수 있듯이, 꺽임길이가 0.2이상에서는 유량에 따른 블로어 성능특성이 유사함을 알 수 있다.

Fig. 9는 볼류트 케이싱 외측 중앙에 따른 압력 특성을 나타낸다. 압력선정위치는 Fig. 9 (a)에 나타낸다. Fig. 9 (b)에서는 꺽임각 15°에서의 꺽임길이에 따른 압력분포를 나타내며, Fig. 9 (c)는 꺽임길이를 0.25로 하고, 꺽임각도에 따른 압력특성을 나타낸다. 꺽임각이 15°인 경우에는 Fig. 7(a)에서와 같이 꺽임길이가 증가할수록 볼류트 케이싱 면압력도 증가함을 알 수 있다. 꺽임길이를 0.25로 고정한 Fig. 9 (c) 의 경우에도, 꺽임각의 증가에 따라 압력 특성이 향상됨을 알 수 있다. 이상에서 알 수 있듯이 본 연구에서 설정한 꺽임 길이와 각도 범위에서는 각 변수의 설정값이 증가할수록 압력 특성이 향상됨을 알 수 있다.

Fig. 9 
Pressure along a volute casing

Fig. 10 
Comparison of Mach number and pressure contours

(left : reference blower, right : blower having max. pressure)

설계유량에서 원심블로어의 내부유동장 특성을 분석하기위하여 기본 블로어와 가장 큰 압력특성을 갖는 설계조건(θ=25°, l/c=0.25)에 대하여 내부유동장 특성을 비교하였다. 원심블로어의 내부유동장 평가에서는 수치해석시 임펠러 및 볼류트 케이싱의 경계면에 프로즌-로터 방법을 적용하였다.

Fig. 10은 기본설계 블로어 및 최고압력을 갖는 경우의 임펠러 형상에 대하여 속도 및 압력 분포를 각각 나타낸다. 해석단면의 위치는 Fig. 10(a)에서와 같이 원심블로어 임펠러 중간 높이로 설정하였다. Fig. 10 (b)와 (c)에서 왼쪽 그림은 기본설계 블로어를, 오른쪽 그림은 최고 압력값을 갖는 블로어의 해석 결과를 나타낸다. Fig. 10(b)의 속도 분포에서 알 수 있듯이, 기본 설계 블로어가 최고 압력을 갖는 블로어에 비하여 임펠러 익간 저속유동이 더 넓게 분포됨을 알 수 있다. 기본설계 블로어에서는 날개의 부압면의 끝단 근방에서 발생하는 역류(reverse flow)에 의한 저속 영역이 상대적으로 최고압력을 갖는 블로어에 비해 크며, 특히 볼류트 케이싱의 컷오프 근방의 익간에서 상대적으로 큰 값을 갖는다. 이러한 임펠러 익간의 저속영역은 압력손실을 발생시키기에 최소화가 필요하다.

Fig. 10(c)는 압력분포를 나타낸다. 최대압력을 갖는 블로어가 기존 설계 블로어에 비해 임펠러 입출구에서 압력차가 크게 나타남을 알 수 있다.