선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램 개발 논문자료

선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램 개발
Development of Integrated HVAC 
Noise Analysis Program for Ships

이 논문은 선박 HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템의 주요 설계 매개변수인 압력 강하 및 덕트 소음 분석을 다룹니다. 일반적으로 HVAC 시스템의 소음 예측은 NEBB(National Environmental Balancing Bureau, 1994)에서 제시한 경험적 방법을 사용하지만, 이 방법은 선박 HVAC 시스템에는 적합하지 않습니다. 따라서 이 연구에서는 수치 해석 방법을 적용하여 선박 HVAC 시스템, 특히 대형 덕트의 소음을 예측하는 새로운 방법을 개발합니다. 이 연구에서는 **경계 요소법(BEM, Boundary Element Method)**을 활용하여 대형 덕트에서의 음압 수준 감쇠에 대한 회귀 공식을 개발합니다. 또한 ASHRAE 피팅 데이터베이스에서 제시된 동적 손실 계수와 HVAC 소음 해석을 위한 수치 해석 기법을 적용하여 통합 HVAC 소음 해석 프로그램을 개발하였습니다. 이 프로그램은 선박 HVAC 시스템의 압력 강하 및 소음 분석 기능을 제공합니다. 개발된 프로그램의 정확성과 편의성을 검증하기 위해, 반잠수식 드릴링 리그(Semi-Submersible Drilling Rig)의 HVAC 시스템을 예측하고, 실제 해상 시험 중 측정된 소음 수준과 비교하여 성능을 평가합니다.

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연구 방법

 

1. 제안 방법

기존에 연구되지 않았던 대형 덕트의 단위길이당 음압감소량을 구하기 위하여 수치해석 기법인 경계요소법(BEM; Boundary Element Method), 전산유체역학(CFD; Computational Fluid Dynamics)을 사용하였으며, 이로부터 대형 덕트의 사이즈에 따른 추정식을 개발하였다.

경계요소법 상용해석코드인 SYSNOISE와 전산유체역학 상용해석 코드인 FLUENT를 사용하여, 대형 덕트의 유동해석을 수행한 후 이를 통해 얻어지는 이중극소음원을 경계조건으로 하여 SYSNOISE를 통해 음향 해석하였다.

본 논문에서는 NEBB 에서 제안하는 경험적 계산 방법과 대형 덕트의 단위길이당 음압감소량을 통해 HVAC 소음해석을 할 수 있고, ASHRAE fitting Data Base(2)에서 제안하는 동적손실계수를 이용하여 덕트의 압력손실을 계산할 수 있는 선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램을 개발하였다.

모델의 경계조건은 덕트의 한쪽 끝단은 스피커가 있는 것과 같은 조건을 주기 위해서 진동판넬(Vibrating Panel) 조건을 주었고, 다른 쪽 끝 단의 임피던스는 반사파가 없이 무한히 이어지는 덕트라는 조건을 주기 위하여 공기의 임피던스를 설정하였다.

SYSNOISE 해석 후, 대상 덕트 모델의 중앙선을 필드포인트(Field Point)로 잡고, 그 필드포인트의 길이방향 음압의 변화 값을 전체 길이로 나눔으로써 대형 덕트의 단위길이당 음압감소량을 구하였다.

앞서 연구한 대형 덕트의 소음특성과 NEBB에서 제시한 경험적 계산 방법, ASHRAE Fitting Database에서 제안하는 동적손실계수를 이용하여 선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램을 개발하였다.

선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램을 사용하여 Fig 6과 같이 Semi-Submersible Drilling RIG의 Navigation Deck, 3rd Accom-modation Deck, 2nd Accom-modation Deck을 대상으로 HVAC 소음해석을 수행하고 시운전 중의 계측 결과와 비교 하였다.

대형 덕트의 소음특성과 NEBB가 제시한 경험적 방법, ASHRAE Fitting Database에서 제안하는 동적손실계수를 이용하여 선박용 통합 HV-AC 소음해석 프로그램을 개발하였다.

2. 대상 데이터

본 논문에서 연구 대상이 된 대형 덕트는 단면이 1m x 1m 이상의 사이즈의 사각덕트만을 선정하였다.

해석에 사용한 모델은 같은 대형 덕트

그러나 이러한 동적손실계수는 모든 덕트 요소들에 대해 나와있지 않기 때문에 ASHRAE Fitting Database에 등재된 데이터만을 활용하였다.

3. 데이터 처리

개발한 프로그램을 활용하여 실선의 HVAC 소음해석을 수행하였으며, 계측결과와의 비교를 통해 프로그램의 신뢰성을 검증하였다.

개발한 프로그램을 이용하여 Drilling Rig의 HVAC 소음해석을 수행하였으며, 계측결과와의 비교를 통해 프로그램의 신뢰성을 검증하였다.

4. 이론/모형

일반적으로 HVAC 시스템의 소음예측을 위하여 National Environment Balancing Bureau(NEBB)에서 제시한 경험적 계산 방법을 이용한다.

선박에 주로 사용되는 대형 덕트의 소음해석을 수행하기 위해 수치해석기법인 경계요소법과 전산유체역학을 이용하여 대형 덕트의 단위길이당 소음감소량을 구하였다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램은 모델링 결과를 바탕으로 HVAC 소음해석 및 압력손실을 해석할 수 있으며, 해석 결과를 보기 위한 전처리 및 후 처리 기능을 제공하여 HVAC 시스템 및 격실에서의 소음 수준과 각 덕트의 압력손실을 쉽게 확인 할 수 있도록 하였다.

해석 결과와 계측결과를 비교하면 해석결과가 전체적으로 더 작은 것을 확인 할 수 있는데, 계측이 주기관 운행 중일 때 수행되었기 때문에 주기관 소음의 영향으로 인해 계측결과가 해석 결과보다 더 크게 나오는 것으로서 경향상 맞는 결과라고 할 수 있다.

HVAC Room은 HVAC 소음이 다른 구간에 비해 영향이 크기 때문에 해석결과와 계측 결과의 차이가 0.7 dB(A)로 상대적으로 적은 차이를 보인다는 것을 확인하여 해석의 정확성을 확인할 수 있었다.

개발한 선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램은 선박에 사용되는 HVAC 시스템의 소음해석을 수행할 수 있으며, 덕트의 압력손실을 계산할 수 있다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=NPAP09732734

[논문]선박용 통합 HVAC 소음해석 프로그램 개발