EAA 축류팬의 정상 및 비정상 유동해석에 따른 공력성능 비교

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축류팬은 자동차 냉각 시스템과 공조 장치 등에 사용되며, 전산유체역학(CFD) 해석을 통해 공력성능 예측이 수행되고 있다. 축류팬의 유동은 블레이드 표면의 경계층 발달, 유동 박리 및 팁 간극 유동 등의 영향을 받으며 수치해석 기법에 따라 수치해석 결과에 차이가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 European Acoustics Association(EAA)에서 제공하는 저압 축류팬을 대상으로 수치해석 기법에 따른 정상상태 공력성능을 비교하였다.

해석 대상은 직경 495 mm, 블레이드 9개, 팁 간극 2.5 mm의 축류팬으로 회전속도 1,486 rpm과 체적 유량 1.4 m³/s를 기준 운전조건으로 설정하였다. 팬의 회전은 Multiple Reference Frame(MRF) 기법으로 구현하였으며, 난류 모델은 2개의 수송방정식을 사용하는 SST k−ω 모델과 4개의 수송방정식을 사용하는 Transistion SST 모델을 적용하였다. 각 모델에 대해 공기의 압축성을 고려한 조건과 비압축성 조건을 구분하여 총 4개의 해석 Case를 구성하였다. 공력성능은 팬 전후의 Total-to-Static Pressure를 주요 지표로 설정하고, EAA에서 제공하는 실험 자료와 비교하였다. SST k−ω 모델은 난류 운동에너지와 비소산율을 이용하여 난류 특성을 비교하는 반면, Transition SST 모델은 경계층에서 발생하는 층류-난류 천이 과정을 추가로 고려한다. 비압축성 가정시, 난류 모델에 따라 축류팬의 압력상승 예측값에 차이가 나타났다. 두 모델 모두 실험값보다 낮은 압력상승을 예측하였으나, Transition SST 모델에서 실험값에 더 가까운 결과를 얻었다. 이러한 차이를 바탕으로 난류 및 천이 모델의 적용에 따른 공력성능 예측 특성을 비교하였으며, 압축성 조건의 해석 결과를 추가하여 압축성 고려 여부에 따른 차이도 검토할 계획이다.