유체-구조-음향 연성 해석을 이용한 왕복동 압축기의 유동 기인 소음의 생성 및 전파에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

사회적 생활 수준 및 삶의 질의 향상과 더불어 여러 가지의 가전기기(Home Appliance)들이 복잡화 되고 그 종류도 늘어나고 있다. 또한 가전기기는 가정의 생활 공간 내에 설치된다는 점에서 소비자들은 각 가전기기 구매에 있어 제품이 가진 성능뿐 아니라 품질 요소 중 하나인 ‘저소음’ 도 필수 요소로 고려하고 있다. 그 중 냉동사이클을 이용하는 가전기기에 필수로 사용되는 압축기는 가전기기의 주요 소음원으로, 저소음 가전기기의 개발에 있어 압축기의 저소음화는 중요한 과제이다.
왕복동 압축기는 개발된지 오래되었지만 현재까지도 많은 가전기기에 적용되고 있다. 왕복동 압축기에서 발생하는 소음은 압축기 거동 중 발생하는 냉매와 압축기 구조 간의 상호작용으로 인해 복잡한 소음 특성을 갖는다. 때문에 현재에도 실험에 의존하여 소음원 분석 및 저감 연구가 진행되고 있고, 복잡한 소음 특성으로 소음원 분석이 제한적이고 구체화 되지 않는 한계가 있다. 최근에는 해석 능력의 발전으로 다학제간 연성 해석이 활발하게 진행이 되고 있으나, 흡입 머플러의 성능 또는 밸브의 거동 모사 등 개별 부품에 대한 연구를 중심으로 진행되고 있고, 압축기 소음 생성 및 전파와 관련된 연구는 미진한 상태이다.
본 연구에서는 왕복동 압축기에서 발생하는 주요 소음인 유동에 의한 압력 맥동 소음에 대해 소음의 생성 및 전파에 대해 수치적으로 예측하였다. 왕복동 압축기 내부 구조물 및 압축기 내부 전체 유동 영역을 고려한 유체-구조 연성(Fluid-Structure Interaction)해석을 통해 유동 기인 소음의 생성을 모사하고, 왕복동 압축기 쉘 구조를 고려한 외부 방사를 구조-음향 연성(Structure-Acoustic Interaction)해석을 통해 압축기에서 발생하는 유동 기인 소음의 전파를 예측했다. 예측된 압력 맥동에 의한 소음은 흡입 맥동에 의한 압축기 쉘의 거동으로 방사 되는 것을 확인했으며, 실험 결과와 검증하여 정확도 높은 예측 결과를 확인하였다. 이로써 기존까지 실험에 의존한 왕복동 압축기의 방사 소음 연구에 대해 수치적으로 접근 할 수 있음을 확인하였고, 후속 연구를 통해 충격에 의한 구조 소음을 반영한다면 왕복동 압축기의 전체적인 소음에 대해 예측할 수 있을 것이며, 종류를 확장한다면 압축기 종류에 따른 소음 예측에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the improvement of social standard of living and quality of life, various kinds of home appliances are getting complicated and the kinds are increasing. In addition, consumers are considering “low noise” as one of the quality factors as well as the performance of each home appliance. Among them, a compressor that is essential to a home appliance using a refrigeration cycle is recognized as a main noise source of the home appliance. So, Development of low noise compressor is an important task for the development of low noise home appliances.
Reciprocating compressors are still applied to many home appliances. Noise generated in a reciprocating compressor has complex noise characteristics due to the interaction between the refrigerant and the compressor structure. As a result, noise source analysis and reduction studies are currently being conducted depending on experiments, and there are limitations in that noise source analysis is limited and inconvenient due to complex noise characteristics. Recently, due to the development of analysis ability, multi-disciplinary interaction analysis has been actively conducted. However, research on individual components such as performance of suction muffler or valve behavior simulation has been conducted.
In this study, numerical predictions were made for the pressure pulsation noise for the flow, which is the main noise generated in the reciprocating compressor. Internal behavior was simulated by constructing a Fluid-Structure Interaction system that considers the internal structure of the reciprocating compressor and the entire flow inside the compressor. External propagation prediction considering the reciprocating compressor shell structure was used to predict the propagation of flow noise from the compressor using the Structure-Acoustic Interaction analysis. Noise caused by pressure pulsation is propagated by the behavior of the compressor shell by suction pulsation. Validated with the experimental results, the prediction results were high accuracy. As a result, it was confirmed that we can numerically approach the noise studies of reciprocating compressors, which are dependent on the experiment. It is also expected to be applicable to the entire fluid machinery, including reciprocating compressors.

목차 (Table of Contents)

• 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 7
• 1.2.1 유체-구조 연성 관련 7
• 1.2.2 소음 관련 12
• 1.3 연구 목적 및 개요 14
• 2 이론 검토 15
• 2.1 왕복동 압축기 15
• 2.1.1 왕복동 압축기 구조 및 특징 15
• 2.1.2 왕복동 압축기 이론 선도 20
• 2.2 머플러 성능 평가 기준 23
• 2.2.1 삽입 손실 (Insertion Loss, IL) 23
• 2.2.2 투과 손실 (Transmission Loss, TL) 24
• 2.2.3 소음 저감 (Noise Reduction, NR) 25
• 2.2.4 머플러 성능 평가 기준 비교 26
• 3 수치해석 기법 27
• 3.1 지배 방정식 28
• 3.1.1 유체-구조 연성 지배 방정식 28
• 3.1.2 구조-음향 연성 지배 방정식 32
• 3.2 수치 기법 34
• 3.2.1 가변 격자 모델 (Mesh deformation model) 34
• 3.2.2 간격 제어 (Gap control) 37
• 3.2.3 소스 매핑 (Source mapping) 40
• 4 왕복동 압축기 내부 거동 예측 41
• 4.1 검증용 내부 거동 측정 결과 41
• 4.2 해석 형상 및 물성치 정보 43
• 4.3 수치 해석 조건 45
• 4.3.1 해석 방법 45
• 4.3.2 초기/경계 조건 및 그리드 시스템 46
• 4.4 내부 거동 해석 결과 50
• 5 왕복동 압축기 소음 방사 예측 70
• 5.1 검증용 소음 측정 결과 70
• 5.2 해석 형상 및 물성치 정보 77
• 5.3 수치 해석 조건 79
• 5.3.1 해석 방법 79
• 5.3.2 초기/경계 조건 및 그리드 시스템 79
• 5.4 외부 방사 예측 결과 81
• 5.5 종합 결론 및 소음 저감 방안 제언 84
• 6 결론 95
• 6.1 요약 및 결론 95
• 6.2 연구의 의의 96
• 6.3 연구의 한계 및 후속 연구 방향 97
• 참고문헌 99
• Abstract 106

참고문헌 (Reference)

1 환경부, "제2011-93호: 소음", 진동관리법 일부개정법률안 입 법예고, 2011

2 구본철, 이재근, 박정훈, 박원규, "압축기공학 이론과 실험", 으 뜸사, 2011

3 환경부, "중앙환경분쟁조정위원회,에어컨 실외기 소음, 방치하 면 배상해야", [보도자료], 2013