In this paper, new cascade axial momentum theory is suggested, in order to predict axial velocity induced by shroud axial fan which has cascade effects. Axial velocity obtained by using this method shows good agreement with experimental results. Fast calculation of boundary layer for predicting broadband noise is achieved by using coupling method between cascade inviscid panel and viscous boundary layer equation. Cascade inviscid-viscous coupling method can calculate boundary layer information fast and accurately and shows availability of cascade boundary layer calculation before stall. 2D CFD method including transition and induced velocity effects is used for boundary layer calculation in large separated flow. In order to apply 2D broadband noise prediction methods to cascade axial fan, cascade corrections are suggested in velocity, angle of attack and directivity. Boundary layer information obtained by suggested methods is used for predicting Turbulent Boundary Layer Trailing Edge(TBL-TE), Turbulent Boundary Layer Separation, Tip Vortex Formation(TVF), Laminar Boundary Layer Vortex Shedding(LBL-VS) noise. The broadband noise prediction results show that the broadband noise from 400Hz to 1500Hz comes from the TBL-TE, TVF, LBL-VS noise sources.
본 연구에서는 기존의 axial momentum 이론을 cascade 문제에 대해서 확장한 cascade axial momentum 이론을 제안하였고, cascade 효과가 큰 문제에서 기존의 방법에 비해 계산된 축류속도가 실험값과 더 잘 일치하는 결과를 얻었다. 빠르고 정확한 cascade 경계층 해석을 위하여 cascade 패널법과 경계층 방정식을 연계하는 방법을 제안하였고, 이 방법을 통해서 박리가 크게 발생하지 않는 영역에서 실험과 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있음을 보였다. 블레이드에서 박리가 크게 일어나는 영역을 해석하기 위하여 천이 및 유도속도를 고려한 2차원 CFD 해석을 수행하여 광역 소음 해석에 필요한 경계층 정보를 얻을 수 있었다.
위 방법으로 얻어진 경계층 정보를 바탕으로 shroud를 가지는 axial fan에 대해서, Brooks등이 제안한 scaling 기반의 소음 예측식을 이용하여 다양한 소음원에 대한 팬 소음을 예측하였고, 이들을 모두 고려 했을 때 실험결과와 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
Brooks등이 제안한 단일 익형에 대한 소음해석 방법을 고형비가 큰 축류팬에 적용하기 위하여 고형비가 커지면서 대두되는 cascade effect correction을 기준 속도와 받음각에 대하여 제안 하였다. 또한 소음 해석에 필요한 경계층 정보를 얻기 위하여 cascade loss model을 이용하는 방법을 제안하였고, 이 결과를 cascade momentum과 2차원 CFD 해석 결과와 비교하였다.
Tip vortex formation 소음을 보다 정확하게 예측하기 위하여 필요한 tip vortex의 영향을 받는 영역을 찾아내기 위하여, tip loss factor와 3차원 자유후류법을 도입하였으며, 자유후류법을 이용하여 tip vortex noise를 예측하였을 때 실험결과와 잘 합치되는 결과를 얻을 수 있었다.
이렇게 해석한 결과를 통하여 쉬라우드가 있는 팬의 1kHz 근방의 소음원이 TBL-TE, TVF, LBL-VS 소음들에 의하여 발생한다는 것을 보였으며, 이를 통하여 시스템과 결합 하였을 때 소음의 증가 원인을 설명하고, 저감 방안을 제안 할 수 있었다.
