한국음향학회지 (The Journal of the Acoustical Society of Korea)

  • 제43권5호
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  • Pages.557-569
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  • 2024
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  • 1225-4428(pISSN)
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  • 2287-3775(eISSN)
한국음향학회 (The Acoustical Society of Korea)
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배관 내부 오리피스 유동에 의한 유동 유기 진동/음향 유기 진동 유발 표면압력장 특성에 대한 고찰

Characterization of surface pressure field inducing Flow induced vibration/Acoustic induced vibration due to orifice flow inside pipes

  • 최인섭 (부산대학교) ;
  • 이상헌 (부산대학교) ;
  • 정철웅 (부산대학교) ;
  • 서명갑 (한화 오션) ;
  • 성상경 (한화 오션)
  • Inseop Choi ;
  • Sangheon Lee ;
  • Cheolung Cheong (School of Mechanical Engineering Pusan National University) ;
  • Myengkab Seo ;
  • Sangkyung Sung
  • 투고 : 2024.09.02
  • 심사 : 2024.09.23
  • 발행 : 2024.09.30
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초록

최근 유체와 에너지의 전달 성능을 향상시키기 위해 가압 장치의 작동 속도가 증가하고 있으며, 이는 유체의 이송 속도를 증가시켜 유체에 의한 소음의 상대적 기여를 높이고 있다. 배관계의 설계 단계에서 소음 성능을 평가하기 위해서는 유동소음의 특성에 대한 분석이 필수적이다. 따라서, 본 논문에서는 배관에서 발생하는 소음의 발생 메커니즘 및 전파 특성에 대하여 수치적으로 분석하였다. 압축성 대 와류 모사 기법을 이용하여 오리피스 배관 요소를 지나는 유체에 의해 발생하는 벽면 압력 가진력을 예측하였다. 이후, 파수-주파수 분석법을 이용하여 유동 기인 진동과 음향 기인 진동의 가진력으로 알려진 비압축성 및 압축성 압력 성분으로 분리하였다. 분리된 비압축성 및 압축성 벽면 압력 성분을 이용하여 각 압력 성분의 전파 및 기여도 특징을 분석하였으며, 유동장 분석을 통해 비압축성 및 압축성 압력 성분과 배관 내부 유동의 상관성을 분석하여 유동소음의 발생 메커니즘과 전파 특성을 규명하였다. 이를 통해 비압축성 벽면 압력 성분의 경우 소음원 인근 영역에서 기여도가 큼을 확인하였으며, 압축성 벽면 압력 성분의 경우 소음원 상류 및 하류 방향으로 장거리 전파됨에 따라 기여도가 증가함을 정량적 및 시각적으로 확인하였다.

Recently, the operating speed of pressure devices is increased for high performance. It lead to the increase of flow rate. Consequently, the results in the high relative contribution of flow borne noise to the noise from pipe. Analyzing the characteristics of flow-borne noise is essential for evaluating noise performance during the design stage of the piping system. Therefore, in this paper, the noise generation mechanism and transfer characteristic was numerically investigated. The wall pressure induced by the fluid moving through the orifice was predicted using the compressible Large Eddy Simulation (LES). The Wavenumber-Frequency Analysis (WFA) was employed to decompose the wall pressure into incompressible and compressible component, which are to cause Fluid Induced Vibration (FIV) and Acoustic Induced Vibration (AIV). The propagation and contribution characteristics were analyzed using the separated incompressible and compressible wall pressure components. Additionally, the correlation between these pressure components and the internal flow within the piping was investigated through flow field analysis, which elucidated the mechanisms and propagation characteristics of flow-induced noise. From these results, it was confirmed that the contribution of the incompressible wall pressure component was high near the noise source and that the contribution of the compressible wall pressure component increased as it propagated long distances upstream and downstream direction of the noise source.

키워드

과제정보

이 논문은 2024년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소의 지원을 받아 수행된 연구임(UC 229001DD).

참고문헌

  1. S. Kaneko and T. Nakamura, Flow-Induced Vibrations : Classifications and Lessons from Practical Experiences (Elsevier Science, Oxford, 2008), pp. 1-10.
  2. S. Kottapalli, A. Hirschberg A., V. Anantharaman, D. Smeulders, N. Waterson, and G. Nakiboglu, "Hydrodynamic and acoustic pressure fluctuations in water pipes due to an orifice : Comparison of measurements with Large Eddy Simulations," J. Sound Vib. 529, 1-27 (2022).
  3. M. Jaouhari, F. Self, and Y. Liu, Differentiating between Acoustic and Flow Induced Vibrations (Bechtel Company, Virginia, 1898), pp. 261.
  4. M. F. I. A. Fuad and M. S. Mustafa, "Gas piping system fatigue life estimation through Acoustic Induced Vibration (AIV) analysis," Int. J. Mech. Eng. Robot. Res. 10, 276-282 (2021).
  5. K. Kim, G. Ku, S. Lee, S. Park, and C. Cheong, "Wavenumber-frequency analysis of internal aerodynamic noise in constriction-expansion pipe," Appl. Sci. 7, 1-16 (2017).
  6. G. Ku and C. Cheong, "Numerical investigation on the flow noise reduction due to curved pipe based on wavenumber-frequency analysis in pressure relief valve pipe system" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 41, 705-712 (2022).
  7. S. Kottapalli, "Numerical prediction of flow induced vibrations in nuclear reactors through pressure fluctuation modeling," (Master thesis, Delft University of Technology, 2016).
  8. H. Yamano, M. Tanaka, T. Murakami, Y. Iwamoto, K. Yuki, H. Sago, and S. Hayakawa, "Unsteady elbow pipe flow to develop a flow-induced vibration evaluation methodology for japan sodium-cooled fast reactor," J. Nuclear Sci. and Tech. 48, 677-687 (2011).
  9. P. Maurerlehner, S. Schoder, S. Floss, J. Tieber, H. Sreiner, and G. Brenn, "Validation setup for the investigation of aeroacoustic and vibroacoustic sound emission of confined turbulent flows," Proc. Inter noise and Noise-Con Conf. 519-525 (2021).
  10. P. Maurerlehner, S. Schoder, J. Tieber, C. Freidhager, H. Sreiner, G. Brenn, K. H. Schafer, A. Ennemoser, and M. Kaltenbacher, "Aeroacoustic formulations for confined flows based on incompressible flow data," Acta Acustica, 6, 1-14(2022).
  11. E. Garnier, N. Adams, and P. Sagaut, Large Eddy Simulation for Compressible Flows (Springer, Dordrecht, 2009), pp. 5-39.
  12. P. Ekman, J. Venning, T. Virdung, and M. Karlsson, "Importance of sub-grid scale modelling for accurate aerodynamic simulations," ASME. 143, 011501 (2021).
  13. M. N. Munjal, Acoustics of ducts and mufflers (JOHN WILEY & SONS, New York, 2009), pp. 1-22.
  14. E. W. Lemmon, R. T. Jacobsen, S. G. Penoncello, and D. G. Friend, "Thermodynamic properties of air and mixtures of nitrogen, argon,and oxygen from 60 to 2000 K at pressures to 2000 MPa," J. Phys. Chem. Ref. Data, 29, 331-385 (2000).
  15. G. Daviller, G. Oztarlik, and T. Poinsot, "A generalized non-reflecting inlet boundary condition for steady and forced compressible flows with injection of vortical and acoustic waves," Computer and Fluids, 190, 503-513 (2019).