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Dynamics >>24
Aeroacoustics
at BEHR
Friedrich Brotz, Michael Schrumpf, BEHR GmbH & Co.
KG, Germany
Alex Read, CD-adapco, UK
가열,
환기 및 공조(HVAC)에 의해 발생하는 소음은 자동차, 철도, 항공우주
산업에서의 설계시 고려해야 할 사항중 하나입니다. 음향학적으로 최적화되지
않은 시스템에 의해 발생되는 이질적인 소음에의 노출은 승차감의 감소
뿐만 아니라 운전자의 피로도까지 상승시킵니다. BEHR(DESTINY를 통하
여
CD-adapco와의 합작:AAC와 DESTINY:2프로젝트)는 테스트 케이스를 통해
현상을 예측하는 수치적 방법의 포괄적인 해석을 수행해 왔습니다.
여기서
논의되는 테스트 케이스는 CFD와 실험 간의 직접적인 비교를 목적으로
한 약간의 변경이 포함된 HVAC Duct의 제작과 관련된 것입니다. 실험적
모니터 위치 ca는 그림 01b에서 보여집니다.
STAR-CD는 Mesh Frequency Cut-off Analysis(그림 2)이라고 하는 정상상태 계산으로부터의 최대 Resolvable Acoustic Source Frequency를 예측하는 독특한 능력을 제공합니다. Lilley Source Term(그림 2)과 결합하여, 정상상태 계산을 수행함으로써 사용자는 케이스 설정을 최적화할 수 있습니다. 이는 격자의 질을 조정함으로써 성공적인 비정상상태의 CFD 계산을 통한 명백한 향상을 제공합니다.
그림 2는 정상상태의 Mesh Frequency Cut-Off Analysis와 최종 격자의 중심을 통한 한 부분에서의 Lilley Source Term을 보여줍니다.
격자는 ‘Trimmed Cell Technology’라고 불리는 pro-STAR의 자동 격자 생성방법을 이용하여 생성되었으며, 총 350만개의 Cell을 가집니다. 격자의 중심 면은 그림 3에서 볼 수 있습니다. 격자는 부분적으로 Acoustic Source(Lilley Source Term에 의해 예측된)가 가장 강한 구역에 집중적으로 생성되었으며, 1000Hz정도까지 의 주파수만이 포착되었습니다(Mesh Frequency Cut-Off Analysis에 의해 나타남). 첫째로 이런 접근법의 장점은 거의 대부분의 중요한 구역에서 격자의 재구성에 사용자가 초점을 맞출 수 있다는 것입니다. 이는 격자의 크기가 비정상상태 해석시의 계산 시간에 큰 영향을 끼치므로 Aeroacoustics에서는 적절한 것입니다. 두번째로, 사용자는 모델이 가능한 한도 내에서 주파수 범위를 설정할 수 있다는 것입니다. 4개의 Monitoring Point에서의 격자의 Frequency Cut-Off값은 800에서 1000Hz사이의 값을 가집니다.
정확하게 광대역 및 협대역 Acoustic Source 둘 다를 예측하기 위해, 진보한 난류 모델을 활용한 비정상상태 계산이 필요합니다. 여기에서 STAR-CD 사용자들은 상용 Solver보다 훨씬 더 빠른 성능을 보여주는 비정상상태 Solver를 사용함으로써 얻는 장점을 확인하게 될 것입니다. 이 경우에, PISO Solver는 DES/k-ε 난류 모델과 함께 개발되었습니다. 계산시간은 6.5일이었고 8개의 2.8GHz Linux Processor로 시뮬레이션 시간은 0.5초, Time Step은 0.4X10e-4초였습니다. 현재의 CPU 속도로 보았을 때, 이 정도는 적당한 계산시간으로 생각됩니다. DES 계산으로부터 나온 속도분포는 그림 4에 나타나있습니다.
그림 4는 Flap의 Wake를 매우 미세한 스케일로 나타낸 것입니다. 시간에 따른 계산을 통하여, 압력값은 실험으로부터 나온 Pressure Tapping Location에서 관찰되었습니다. 그림 5는 두 Monitoring Point에서의 주파수에 대한 음압레벨(SPL)을 보여줍니다.
첫번째로, 수치해석 결과와 실험결과는 저주파수대에서 훌륭하게 일치되었습니다. 두번째로, 실험과 수치해석 결과간의 편차는 난류 Scale을 포착하기 위해 필요한 격자의 해상도가 증가하는 위치를 벗어난 약 1000Hz에서 발생되었습니다. 이는 STAR-CD의 정상상태 Mesh Frequency Cut-Off Analysis에 의해 예측된 값과 잘 일치하고 있습니다.
Aeroacoustic Noise와 같은 복잡한 문제의 해결은 이러한 건과 같은 연구들을 통해 얻어진 상세한 이해에 의해 얻어집니다. 그러므로 이 건은 시장을 끌어나갈 HVAC System을 생산하기 위해 현재 BEHR가 진행중인 탐구대상입니다.
Figures
01:
Test case geometry and experimental monitor points
02: Mesh Frequency
Cut-off analysis and Lilley source term
03: Section slice through
centre of mesh
04: Snapshot of velocity magnitude from the DES
calculation
05: SPL against Frequency for monitor points 2 and
4 (Experiment STAR-CD)
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