International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제7권1호
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pp.7-15
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2014
In the present study, a computational analysis of the flow in a centrifugal blower is carried out to predict a performance and to explain noise characteristics of the blower. Unsteady, 3D Navier-Stokes equations were solved with k-${\varepsilon}$ turbulence model using CFX software. CFD results were compared with the experimental data that is acquired from an experiment conducted with the same blower. The pressure fluctuation in the blower was transformed into the frequency domain by Fourier decomposition to find the relationship between flow behaviors and noise characteristics. Sound pressure level (SPL) which is obtained from wall pressure fluctuation at impeller outlet represents relative overall sound level of the blower well. Sound spectra show that there are some specific peak frequencies at each mass flow rate and it can be explained by flow pattern.
The accurate prediction of aeroacoustic analysis is necessary for designers to control and reduce airflow-induced sound pressure levels in high speed rotating DVD drives. This paper focuses on the numerical prediction of airflow-induced sound in DVD drives. Computational fluid dynamics(CFD) is first conducted to evaluate flow field characteristics due to the high-speed disk rotation, and to support the acoustic analysis. The acoustic analogy based on Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) equation is adopted to predict aeroacoustic noise patterns. The integral solution for quadrupole volume source is included to identify the turbulence noise generated inside the DVD tray. The strength of sound pressure level with respect to rotating speed is discussed to meet upfront demand on the high fidelity product development. The present study also focuses on the noise directivity and examines how much the sound noise is sensitive to change in rotating speed. Near-field noise is strongly affected by the flow field characteristic, which is caused by the complex shape of the tray. For a mid-field, the quadrupole noise play as a counterpart of thickness noise or loading noise, so it generates different sound noise patterns compared with those in the near field.
In recent years, modularization of engine parts has increased the application of plastic products in air intake systems. Plastic intake manifolds provide many advantages including reduced weight, contracted cost, and lower intake air temperatures. These manifolds, however, have some weakness when compared with customary aluminium intake manifolds, in that they have low sound transmission loss because of their lower material density. This low transmission loss of plastic intake manifolds causes several problems related to flow noise, especially when the throttle is opened quickly. The physical processes, responsible for this flow noise, include turbulent fluid motion and relative motion of the throttle to the airflow. The former is generated by high-speed airflow in the splits between the throttle valve and the inner-surface of the throttle body and surge-tank, which can be categorized into the quadrupole source. The latter induces the unsteady force on the flow, which can be classified into the dipole source. In this paper, the mechanism of noise generation from the turbulence is only investigated as a preliminary study. Stochastic noise source synthesis method is adopted for the analysis of turbulence-induced, i.e. quadrupole noise by throttle at quick opening state. The method consists of three procedures. The first step corresponds to the preliminary time-averaged Navier-Stokes computation with a $k-\varepsilon$ turbulence model providing mean flow field characteristics. The second step is the synthesis of time-dependent turbulent velocity field associated with quadrupole noise sources. The final step is devoted to the determination of acoustic source terms associated with turbulent velocity. For the first step, we used market available analysis tools such as STAR-CD, the trade names of fluid analysis tools available on the market. The steady state flows at three open angle of throttle valve, i.e. 20, 35 and 60 degree, are numerically analyzed. Then, time-dependent turbulent velocity fields are produced by using the stochastic model and the flow analysis results. Using this turbulent velocity field, the turbulence-originated noise sources, i.e. the self-noise and shear-noise sources are synthesized. Based on these numerical results, it is found that the origin of the turbulent flow and noise might be attributed to the process of formulation and the interaction of two vortex lines formed in the downstream of the throttle valve. These vortex lines are produced by the non-uniform splits between the throttle valve and inner cylinder surface. Based on the analysis, we present the low-noise design of the inner geometry of throttle body.
It is experimentally well-known that high anisotropies of the turbulent flow field are dominant inside the tip leakage vortex, which is attributable to a substantial proportion of the total loss and constitutes one of the dominant mechanisms of the noise generation. This anisotropic nature of turbulence invalidates the use of the conventional isotropic eddy viscosity turbulence models based on the Boussinesq assumption. In this study, to check whether an anisotropic turbulence model is superior to the isotropic ones or not, the results obtained from the steady-state Reynolds averaged Navier-Stokes simulations based on the RNG k-$\varepsilon$ model and the Reynolds stress model (RSM) are compared with experimental data for two test cases: a linear compressor cascade and a forward-swept axial-flow fan. Through this comparative study of turbulence models, it is clearly shown that the RSM, which can express the production term and body-force term induced by system rotation without introducing any modeling, should be used to predict quantitatively the complex tip leakage flow, especially in the rotating environment.
This paper focuses on the numerical prediction of airflow-induced sound in DVD drives. As a first step, computational fluid dynamics (CFD) is conducted to evaluate flow field characteristics due to the high-speed disk rotation, and to support the acoustic analysis. Acoustic analogy based on Ffowcs Wi1liams-Hawkings (FW-H) equation is adopted to predict aeroacoustic noise patterns. The integral solution for quadrupole volume source is included to identify the turbulence noise generated inside the DVD tray. The strength of sound pressure revel with respect to rotating speed is discussed to meet upfront demand on the high fidelity product development. The present study also focuses on the noise directivity and examines how much the sound noise is sensitive to change in rotating speed. Near-field noise is strongly affected by the flow field characteristic, which is caused by the complex shape of the tray. For a mid-field, the quadrupole noise play as a counterpart of thickness noise or loading noise, so it generates different sound noise Patterns compared with those in the near field.
For the evaluation of acoustic noise of a DLP projector, vibration and sound characteristics of a DLP projector were studied. The acoustic noise of DLP projector could be classified into three categories, that is, the direct noise from a body of rotation, the air-bone noise generated from turbulence or vortex occurred during cooling process and the structural born noise produced by vibrating elements. Cooling fans and color filter wheel which rotates at 9000 rpm are main causes of acoustic noise induced in DLP projector. Since the structure of an optical module in a DLP projector can be excited by the excessive vibration of a color filter wheel, the structural design for anti-vibration should be considered. To make a reduction of overall acoustic noise, the anti-vibration design and the enclosing structure have been studied and applied to a color filter wheel.
For the evaluation of acoustic noise of a DLP projector, vibration and sound characteristics of a DLP projector were studied. The acoustic noise of DLP projector could be classified into three categories, that is, the direct noise from a body of rotation, the air-bone noise generated from turbulence or vortex occurred during cooling process and the structural born noise produced by vibrating elements. Cooling fans and color filter wheel which rotates at 9000 rpm are main causes of acoustic noise induced in DLP projector. Since the structure of an optical module in a DLP projector can be excited by the excessive vibration of a color filter wheel, the structural design for anti-vibration should be considered. To make a reduction of overall acoustic noise, the anti-vibration design and the enclosing structure have been studied and applied to a color filter wheel.
General algorithm is developed for the prediction of internal flow-induced noise. This algorithm is based on the integral formula derived by using the General Green Function, Lighthill's acoustic analogy and Curl's extension of Lighthill's. Novel approach of this algorithm is that the integral formula is so arranged as to predict frequency-domain acoustic signal at any location in a duct by using unsteady flow data in space and time, which can be provided by the Computational Fluid Dynamics Techniques. This semi-analytic model is applied to the prediction of internal aerodynamic noise from a throttle valve in an automotive engine. The predicted noise levels from the throttle valve are compared with actual measurements. This illustrative computation shows that the current method penn its generalized predictions of flow noise generated by bluff bodies and turbulence in flow ducts.
Fluid-elastic instability and turbulence excitation for an under developing steam generator are investigated numerically. The stability ratio and the amplitude of turbulence excitation are obtained by using the PIAT (Program for Integrity Assessment of Steam Generator Tube) code from the information on the thermal-hydraulic data of the steam generator. The aspect ratio, the ratio between the height of U-tube from the upper most tube support plate (h) and the width of two vertical portion of U-tube (w), is defined for geometric parameter study. Several aspect ratios with relocation of tube support plates are adopted to study the effects on the mode shapes and characteristics of flow-induced vibration. When the aspect ratio exceeds value of 1, most of the mode shapes at low frequency are generated at the top of U-tube. It makes very high value of the stability ratio and the amplitude of turbulent excitation as well. We can consider that the local mode shape at the upper side of U-tube will develop the wear phenomena between the tube and the anti-vibration bars such as vertical, horizontal, and diagonal strips. It turns out that the aspect ratio reveals very important parameter for the design stage of the steam generator. The appropriate value of the aspect ratio should be specified and applied.
Fluid-elastic instability and turbulence excitation for an under developing steam generator are investigated numerically. The stability ratio and the amplitude of turbulence excitation are obtained by using the $PIAT^{(R)}$ (program for integrity assessment of steam generator tube) code from the information on the thermal-hydraulic data of the steam generator. The aspect ratio, the ratio between the height of U-tube from the upper most tube support Plate (h) and the width of two vertical portion of U-tube (w), is defined for geometric parameter study. Several aspect ratios with relocation of tube support plates are adopted to study the effects on the mode shapes and characteristics of flow-induced vibration. When the aspect ratio exceeds value of 1, most of the mode shapes at low frequency are generated at the top of U-tube. It makes very high value of the stability ratio and the amplitude of turbulent excitation as well. We can consider that the local mode shape at the upper side of U-tube will develop the wear phenomena between the tube and the anti-nitration bars such as vortical, horizontal, and diagonal strips. It turns out that the aspect ratio reveals very important parameter for the design stage of the steam generator. The appropriate value of the aspect ratio should be specified and applied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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