가전 냉장고 Ice-fan 유로 시스템의 유동과 소음 성능 개선에 관한 수치적/실험적 고찰

1. 서 론

쾌적한 거주 환경에 대한 필요성이 대두됨에 따라 가정용 냉장고의 소음 성능 및 에너지 효율이 고객의 제품 선택을 결정하는 주요 요인으로 인식되고 있다. 홴과 압축기는 냉장고의 소음 방사에 가장 기여도가 높은 부품이며 여러 대의 홴이 하나의 가정용 냉장고 내부에서 작동한다. 이는 냉장고에 사용되는 홴의 방사소음이 넓은 주파수 범위의 소음 성분에 영향을 준다는 것을 의미한다. 특히, 제빙용 홴은 불규칙하게 동작하여 불쾌한 소음을 발생시키며, 소음은 냉장고의 파이프를 통해 외부로 전파된다.

홴에서 발생하는 소음을 저감시키기 위해 Lee et al.^(1,2)은 H-CAA(hybrid computational aeroacoustics) 기법을 사용하여 가정용 냉장고의 제빙용 홴의 BPF (blade passing frequency) 소음을 예측했으며, cut-off 영역의 길이를 증가시킴으로써 BPF를 약 3dB 감소시켰다. 또한, H-CAA 기법을 이용하여 축류홴의 BPF 내부 소음을 예측하였다. Heo et al.⁽³⁾은 기존의 홴의 날개-깃 뒷전을 기울어진 S자 모양으로 변경하여 저소음 원심홴을 개발했다. Shin et al.⁽⁴,⁵⁾은 반응표면법을 최적화 방법으로 사용하여 원심홴의 고성능 설계를 수행하였다. 또한 원심홴의 허브를 연장시킴으로써 원심홴의 유량을 1 % 증가시켰다. Heo et al.⁽⁶⁾은 방사소음에 대한 원심홴 장치의 볼루트(volute tongue) 영역의 상대적 기여도를 분석했다. 또한, Heo et al.⁽⁷⁾은 홴 블레이드를 변경하지 않고 쉬라우드의 입구 형상을 변경함으로써 축류홴 유닛의 공기역학 및 공력소음성능을 향상시켰다. 그러나, 선행 연구의 대부분은 홴 유닛(즉, 홴의 날개 및 둘러싸고 있는 쉬라우드)을 중점으로 연구되어왔다.

내부 유동 시스템은 홴과 같이 유동을 발생시키는 에너지원과 함께 원하는 곳으로 유동을 이송할 수 있는 파이프를 동시에 사용한다. 홴에서 발생한 유량과 소음은 이러한 파이프를 통과하면서 가감될 수 있는 특성을 가진다. 따라서, 이 논문에서는 가정용 냉장고의 내부 유동 시스템의 일종인 제빙용 Ice-fan 유로 시스템의 유동 및 소음성능을 분석하고 개선하기 위한 파이프 설계안을 제시하였다. 먼저, 전산유체역학 기법을 이용하여 가상의 홴 실험장치를 개발하고 측정된 데이터와의 비교를 통해 그 유효성을 검증하였다. 가상의 홴테스터를 통해 동일한 조건에서 예측된 음압레벨을 실험값과 비교하였다.

제빙용 홴에 의해 구동되는 파이프의 내부 유동성능을 정량적으로 평가하기 위해, 파이프 내부 유동장의 에너지 플럭스와 시스템 방사소음레벨을 수치적으로 계산하여 유동 및 소음의 성능지표로 분석하였다. 이 지표를 기반으로 성능에 영향을 미치는 파이프 내 구간을 확인하고 그 구간을 세부적으로 분석하였으며 그 결과를 바탕으로 제빙용 홴 장치의 유동 및 소음성능을 향상시키기 위한 새로운 설계안을 제시하였다.

2. 대상 Ice-fan 유로 시스템 성능 분석

2.1 대상 Ice-fan 유로 시스템 형상

Fig. 1은 홴에 의해 구동되는 냉기의 순환 시스템과 Ice-fan 유로 시스템의 모델링 형상을 나타낸다. Ice-fan 유로 시스템은 제빙용 홴, 하우징, 파이프로 구성되며 작동 회전 속도는 1900 r/min이다.

Fig. 1

Ice-fan flow system and flow direction of cold air for ice-making in household refrigerator

가정용 냉장고의 뒷면에 있는 제빙용 홴은 차가운 공기를 흡입하여 파이프를 통해 제빙기로 보내는 역할을 한다. Ice-fan 유로 시스템의 전체 유동 흐름은 폐쇄된 루프를 형성한다. 그러나 이 연구에서는 전체 Ice-fan 유로 시스템이 아닌 홴에 크게 영향을 받는 상부 파이프까지를 연구대상으로 하여 이에 의한 유동 및 소음성능에 초점을 두고 연구를 수행하였다.

2.2 실험

먼저, P-Q 곡선과 음압 레벨을 측정하여 Ice-fan 유로 시스템의 유동 및 소음성능을 실험적으로 평가하였다. Fig. 2(a)에서 볼 수 있듯이 AMCA 210-07⁽⁸⁾의 규정을 충족시키는 홴테스터를 사용하여 홴의 유동성능을 평가하였다. 홴테스터에는 흡입모드와 배출모드가 있으며 이 연구에서는 흡입모드를 사용하여 실험을 실시하였다. 홴 테스터의 치수는 0.6 m × 0.6 m × 1.5 m이며 5개의 다른 크기의 노즐을 통해 0.016 CMM ~ 9.46 CMM 범위의 유량을 측정할 수 있다. Fig. 2(b)에서는 반무향실에서 대상 홴시스템의 소음성능 측정 현장 사진을 나타낸다. 반무향실 크기는 4 m × 4 m × 2.7 m이며 차단주파수는 150 Hz, 배경 소음은 20 dBA 미만이다. B&K 4189 타입의 마이크로폰은 측정 전 1 kHz에서 94 dB의 순음신호를 이용하여 교정하였다. 측정 위치는 가정용 냉장고의 실제 위치와 일치하도록 높이가 약 0.65 m인 홴 중심에서 1 m 간격으로 설정하였다. 보다 정확한 측정을 위해 홴 회전속도는 음압레벨과 동시에 측정되었다.

Fig. 2

Experimental equipment

3. 수치해석

3.1 수치적 기법

대상 Ice-fan 유로 시스템의 유동 및 소음 성능을 예측하기 위해 전산유체역학 기법을 이용하여 유동성능 측정장치인 실제 홴 테스터를 모사한 가상의 홴 테스터를 개발하였다. Fig. 3은 연구에서 사용된 가상의 홴 테스터의 해석영역을 나타낸다. 실제 홴테스터를 모사하기 위해 입구에는 실험과 동일한 조건으로 홴 시스템의 작동 지점과 일치하도록 노즐 전후 압력차를 주었으며, 출구 압력은 1기압으로 고정하였다. 유동장은 다음과 같은 비정상 비압축성 RANS 방정식을 사용하여 해석하였으며 상용해석프로그램인 ANSYS fluent을 사용하여 수치해석을 수행하였다.

Fig. 3

Computational domain of VFT

$\[ \frac{\partial }{\partial x_j}\left(\rho u_j\right)=0 \]$

(1)

$\[ \frac{\partial }{\partial t}\left(\rho u_i\right)+\frac{\partial }{\partial x_j}\left(\rho u_j{u}_i\right)=-\frac{\partial p}{\partial x_i}+\frac{\partial }{\partial x_j}\left(\mu \left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)-\rho \overline{u_j^{\text{'}}{u}_i^{\text{'}}}\right) \]$

(2)

일반적으로 HVAC 파이프 시스템에 널리 쓰이는 Realizable k-ε 난류모델을 이용하여 레이놀즈 응력 항을 모델링하였으며 해석에 사용된 격자의 수는 약 1천만개이다.

3.2 수치기법 검증

해석에 사용된 수치기법의 유효성을 검증하기 위해 실험을 통해 측정한 홴 성능특성 곡선인 P-Q 곡선과⁽⁹⁾ 소음실험을 통해 얻어진 음압 레벨을 가상의 홴테스터에서 수치해석 예측값과 비교하였다. Fig. 4(a)는 무부하조건부터 실제 작동영역 부근까지 전산해석을 이용한 예측값과 실험값을 비교하였다. 예측된 유량 값이 실제 실험값에 비해 동일 압력차에서 유량을 과다 예측하지만 경향성은 일치하는 것을 확인하였다. 실제 작동모델과 달리 수치해석 격자를 생성하는 과정에서 모델링의 단순화작업을 진행하며 홴 주변 구조물과 유동장에 영향을 미치는 형상의 단순화에 의해 유량이 과다예측 되는 것으로 판단된다. Fig. 4(b)에서 예측값과 측정된 음압 레벨을 살펴보면, 예측된 BPF 성분과 측정값이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으나 RANS 방정식은 averaged navier-stokes 방정식에 의해 유도되며 이로 인해 고주파성분이 제거됨에 따라 광대역소음의 예측값이 잘 맞지 않는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4

Comparison of the P-Q curve (a) and SPL (b) predicted using the VFT with the experimental results

Table 1은 전체 및 2차 BPF(316.7 Hz)에서 음압 레벨의 예측결과와 측정결과를 비교한다. 2차 BPF에서 오차는 2.5 dBA인 반면 전체소음에서는 큰 오차율을 보인다. 그러나 실험결과에서, 시스템의 방사소음은 홴에 의한 전체소음보다 1.7 dBA 증가된 값을 가진다. 이러한 결과를 바탕으로 파이프의 전체시스템에 대한 소음기여도가 크지 않다고 판단되어 홴 시스템의 유동성능 향상에 초점을 두고 유동장 분석을 수행하였다. 일반적으로, 형상 변경을 통하여 유량 성능을 개선시킨 후 홴의 회전 속도를 감소시켜 이전과 동일한 유량성능을 낼 때, 소음을 저감할 수 있다.

Table 1

Comparison of the SPL predicted using the VFT with experimental results [dB(A)]

4. 수치해석 결과

4.1 유동장 분석

Fig. 5에서 파이프 유로의 성능분석의 용이성을 위하여 설정한 수직한 횡단면들을 나타낸다. 파이프 내부 길이 방향에 따라 수직한 면을 설정하고 면위에서 정량적인 유동특성을 분석하였다. 1번 ~ 7번 plane은 곡선부에서 유동 특성을 더 자세히 확인하기 위하여 조밀하게 설정하였다. 이는 홴에서 토출되는 유동이 큰 곡률변화를 나타내는 곡선부를 지나며 유동 박리가 발생하고 이에 따라 손실이 발생하는 것으로 알려져 있기 때문이다⁽¹⁰⁾. 편의상 이 부분을 inlet이라 명명하였다.

Fig. 5

Cross-sectional monitoring planes along the pipe

유동이 파이프 내부를 흐르며 발생하는 손실을 정량적으로 평가하기 위하여 에너지 플럭스를 다음식과 같이 정의하였다.

$\[ E_{\varphi }={\int }_s\left[\left(U·\overrightarrow{n}\right)\left(P_s+\frac{1}{2}\rho {\left|U\right|}^2\right)\right]dS \]$

(3)

$\[ ∆E_{\varphi }=\frac{{\int }_{s_2}\left[\left(U·\overrightarrow{n}\right)\left(P_s+\frac{1}{2}\rho {\left|U\right|}^2\right)\right]dS}{\mathrm{\Delta }{l}_{2-1}}-\frac{-{\int }_{s_1}\left[\left(U·\overrightarrow{n}\right)\left(P_s+\frac{1}{2}\rho {\left|U\right|}^2\right)\right]dS}{\mathrm{\Delta }{l}_{2-1}} \]$

(4)

식 (3)은 단면을 통과하는 에너지 플럭스를 식 (4)는 두 단면 사이의 에너지 손실을 나타낸다. Fig. 6은 식 (3)와 식 (4)을 이용하여 계산한 파이프의 길이에 따른 에너지 플럭스의 분포와 에너지의 손실을 보여준다. Fig. 6(b)에서 1번 ~ 7번 inlet 부분의 에너지손실이 큰 것을 정량적으로 확인하였다.

Fig. 6

Numerical results for energy loss of fan-driven flow inside pipe

4.2 개선 모델

Fig. 7(a)에서 에너지 손실이 크게 발생한 단면의 에너지 플럭스 분포를 도시하였다. inlet 구간에서 에너지 플럭스가 음수인 두 영역이 식별되었으며 이 구간을 R₁과 R₂로 명명하였다. Bates et al.⁽¹¹⁾은 곡률이 파이프 내부유동에 미치는 영향을 연구하였으며 곡률이 낮을수록 내부 에너지 손실이 최소화된다는 연구를 하였다. 이 결과에 기초하여, R₁과 R₂ 구간을 개선하였으며 Fig. 7(b)에 도시된 바와 같이 변경된 형상을 제시하였다. 원래 모델에서 관찰된 음의 영역은 수정된 모델에서 상당히 감소한 것으로 나타난다. Fig. 8은 와류를 나타내는 대표적인 인자인 Q-criterion⁽¹²⁾의 분포를 비교한 것이다. 응집된 와류 구간이 변형된 모델에서 감소함을 알 수 있다. 또한, Fig. 9는 파이프 길이에 따른 에너지 플럭스의 분포를 정량적으로 비교한 것으로, 개선 구간에서 수정된 모델의 에너지 손실이 현저하게 감소함을 보여준다.

Fig. 7

Energy flux contours on cross-sectional planes of original pipe(a) and modified model(b)

Fig. 8

Comparison of the Q-criterion contours between original and modified models.

Fig. 9

Comparison of energy flux loss of fan-driven flow along pipe between original and modified models

5. 결 론

이 연구에서는 제빙용 원심홴에 의한 파이프 내의 유동 및 소음성능을 연구하였다. 첫째, 전산유체역학을 이용하여 가상의 홴테스터를 개발하였다. 가상의 홴테스터를 이용하여 P-Q 곡선과 음압 레벨을 예측하고 실험을 통해 측정된 P-Q 곡선과 음압 레벨의 값을 비교함으로써 수치해석방법의 유효성을 확인하였다. 파이프가 소음성능에는 크게 영향을 주시 않는다는 결과를 기초로, 파이프 요소들의 유동 성능을 에너지 플럭스를 사용하여 평가하였다. 이를 기초로 에너지 손실이 최대가 되는 파이프의 구간을 식별하고 단면에서 에너지 플럭스의 분포를 분석함으로써 그 원인을 제시하였으며, 이 결과를 토대로 곡선 구간을 개선시킨 설계안을 제안하였다. 그 결과, 내부유동의 에너지 손실과 와류가 감소되었고, 파이프 시스템의 유량은 약 1.1 % 증가했다. 원칙적으로 개선된 유량성능을 가지는 시스템의 홴 회전속도를 기존 모델과 동일한 유량을 가지도록 감소시킴으로써 홴 회전 속도의 5제곱 ~ 6제곱에 비례하는 것으로 알려진 홴 음향파워레벨을 감소시킬 수 있다. 이 논문에서 제시한 방법론의 범용성을 고려할 때, 내부유동의 성능을 개선하는 방법으로 일반적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 홴 단독 성능향상에 중점을 두었던 선행연구와 달리 실제 복잡한 형상을 갖는 파이프의 형상까지 고려하였기 때문에 전체 홴-파이프 시스템을 고려한 설계 가이드로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented and selected as one of best papers at the KSNVE 2018 Annual Autumn Conference

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2016R1D1A1A09918456).

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