축류팬의 허브캡 및 테일콘 형상 매개변수에 따른 공력학적 성능 특성 연구 :A study on the geometrical parameters of hub cap and tail cone on the aerodynamic performance of an axial fan

이슬기

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이슬기 (과학기술연합대학원대학교, 科學技術聯合大學院大學校)

지도교수: 최영석, 김진혁

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2020

축류팬의 허브캡 및 테일콘 형상 매개변수에 따른 공력학적 성능 특성 연구

이슬기 2020.01 학위논문

2019

입구부 허브 캡 형상 매개변수에 따른 축류팬 성능 특성 연구

이슬기 , 이경용 , 양상호 외 1명 한국유체기계학회 논문집 2019.08 학술저널

허브캡 및 테일콘 형상 매개변수에 따른 축류팬의 공력학적 성능 특성 연구

이슬기 , 김용인 , 양현모 외 4명 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2019.07 학술대회자료

2018

입구부 허브캡 형상이 축류팬 성능에 미치는 영향에 대한 수치해석적 연구

이슬기 , 이경용 , 양상호 외 1명 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2018.11 학술대회자료

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축류팬(Axial fan)은 작동유체로 공기를 사용하며 공조시설, 환기 장치, 냉각 장치 등 산업 전반에 걸쳐 폭 넓게 이용되는 유체기계이다. 최근 미세먼지 등 대기오염물질에 대한 심각성이 대두되면서 터널 및 지하철 내부와 같이 폐쇄된 공간에서 고성능의 환기 시스템이 요구되는 추세이다. 축류팬은 임펠러(Impeller), 가이드 베인(Guide vane), 벨마우스(Bell mouth), 허브캡(Hub cap), 테일콘(Tail cone) 등으로 이루어져있으며 각 구성요소의 설계변수에 의해 성능 및 내부유동 특성이 영향을 받는다. 따라서, 고효율 축류팬의 설계를 위해 각 구성요소의 설계 변수에 대한 이해가 필요하다. 임펠러 및 가이드 베인의 설계변수에 관한 많은 연구가 수행되었지만 축류팬의 입구부 및 출구부에 설치되는 허브캡 및 테일콘에 관한 연구는 미비한 실정이다.
본 연구에서는 허브캡 및 테일콘의 형상 매개변수가 축류팬의 공력학적 성능 특성에 미치는 영향성을 규명하고자 정상상태 삼차원 Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) 해석을 수행하였다. 각 구성요소의 영향성 분석을 위해 허브캡의 형상 매개변수로 허브 반경 및 축 방향 길이를 선정하여 두 변수를 통해 허브캡 비를 정의하였고, 테일콘의 형상 매개변수로 테일콘의 두 반경 및 축 방향 길이를 선정하여 테일콘 확장 각도를 정의하였다. 또한, 임펠러에 의해 생성된 불균일한 속도 성분이 테일콘 내부 유동에 미치는 영향성에 대해 규명하였다. 가이드 베인 후연(Trailing edge)부터 테일콘, 디퓨져 및 출구 영역까지 수치해석 도메인을 설정하고 가이드 베인 후연의 단면에 자오면 속도 성분과 원주방향 속도 성분을 입구 조건으로 적용하여 테일콘 단일 수치해석을 수행하였다.
허브캡 및 테일콘의 단일 요소 영향성 결과를 토대로 최적의 허브캡 및 테일콘 형상을 선정하여 두 구성요소가 모두 설치된 경우 및 설치되지 않는 경우와 비교하여 축류팬의 공력학적 성능 및 내부 유동 특성을 분석하였다.

An axial fan is a fluid machinery that uses air as a working fluid and is widely used in the industry for air conditioning, ventilation and cooling systems. Recently, the high performance ventilation systems are required in the closed spaces such as the road tunnels and the subways because of an air pollution associated with the fine dust. An axial fan is composed of an impeller, guide vane, bell mouth, hub cap, and a tail cone. The performance and the internal flow characteristics are affected by the design variable of the each component. Therefore, understanding the effects of the design variable of each component is essential to design a high efficiency axial fan. Earlier studies on the design variable of impeller and guide vane have been conducted consistently. However, the studies considering the effects of the hub cap and tail cone at the inlet and outlet of the axial fan, respectively, are lacking.
In this study, a three-dimensional steady-state Reynolds- averaged Navier?Stokes (RANS) calculation was conducted to observe the effects of the geometrical parameters of the hub cap and tail cone on the aerodynamic performance and internal flow characteristics of the axial fan. In order to investigate the effects of geometrical parameters of the hub cap, the hub cap ratio which is defined as the ratio of the radius to the axial length of the hub cap. The tail cone expansion angle was defined by two radius and axial length of the tail cone to investigate the effects of geometrical parameters of the tail cone. In addition, the influence of the non-uniform velocity components induced by the impeller on the internal flow of the tail cone was investigated. A numerical analysis domain from the guide vane trailing edge to the tail cone, diffuser, and outlet region is set. By applying meridional and circumferential velocities to the inlet condition at the guide vane trailing edge, numerical analysis for the simplified tail cone model was performed.
Based on the analysis results on the effect of the geometrical parameters of each hub cap and tail cone, the optimum geometrical parameters were selected. The aerodynamic performance and internal flow characteristics of the axial fan were analyzed, compared to both components installed and not installed.

Ⅰ. 서 론 ································································ 1
Ⅱ. 축류팬의 제원 및 형상매개변수 ·························· 4
1. 축류팬의 제원 ················································ 4
2. 형상 매개변수 ················································ 7
가. 허브캡 형상 매개변수 ································ 7
나. 테일콘 형상 매개변수 ································ 9
Ⅲ. 수치해석 방법 ···················································· 11
1. 수치해석 기법 및 경계조건 ······························ 11
2. 수치해석 격자계 ··········································· 13
Ⅳ. 결과 및 고찰 ······················································ 17
1. 허브캡 형상 매개변수 영향성 ··························· 17
가. 축류팬의 공력학적 성능 특성 ······················ 17
나. 축류팬의 내부 유동 특성 ···························· 21
2. 테일콘 형상 매개변수 영향성 ··························· 29
가. 축류팬의 공력학적 성능 특성 ······················ 29
나. 축류팬의 내부 유동 특성 ···························· 34
다. 불균일 유동에 의한 테일콘 내부 유동 특성 ····· 38
3. 허브캡 및 테일콘 형상 매개변수 영향성 ············ 48
가. 허브캡 및 테일콘 형상 선정 ························ 48
나. 축류팬의 공력학적 성능 특성 ······················ 50
다. 축류팬의 내부 유동 특성 ···························· 54
Ⅴ. 결 론 ································································ 59
참고문헌 ···························································· 62

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