Products FanDAS

 

 

공력팬 설계 전용소프트웨어

 

▣ 개요

FANDAS는 산업용으로 많이 사용되는 Axial Fan, Sirocco Fan, Turbo Fan 그리고 Regenerative Fan의 설계를 위한 소프트웨어로 설계변수와 운전조건을 입력하면 팬 소음해석을 포함한 Fan유동, 각종 성능결과를 예측하고 최적형상을 CAD 파일로 제공합니다.

▣ 구성모듈

FanDAS의 모듈은 축류형, 원심형, 재생형 팬으로 구성되어 있고 원심형에서는 시로코팬과 터보팬으로 나눠져 있습니다.  FanDAS는 고효율 저소음 송풍기 개발을 위해 설계, 성능해석, 소음해석을 하는 프로그램으로 팬의 운전조건과 설계 변수를 통해서 팬을 디자인하게 됩니다. 디자인 된 팬의 입출구에서의 유동장을 예측하여 팬의 성능 및 소음을 평가하도록 설계되어 있습니다.

▣ 특 징

1. 고효율 저소음의 팬 설계에 빠르게 적용 가능
2. 편하고 신뢰성 있는 유저인터페이스
3. 3D CAD 모델 출력으로 인한 형상 수정 및 CAE 소프트웨어 제품과의 연동가능
4. 사용자의 편의를 위한 매뉴얼 제공

▣ 송풍기 개발 프로세스

송풍기를 개발하기 위해서는 우선적으로 팬이 요구하는 성능이 있습니다. 성능으로는 팬에서 나오는 유량이나 입출구의 압력차, 그리고 소음 수준정도로 요구할 수 있습니다. 이러한 설계 요구사양이 있으면, 그 요구사양을 만족하는 팬을 설계해야 하는데, 이러한 팬 설계 과정에서 블레이드 각도분포 및 캠버선을 디자인하고, 블레이드 타입선정, 두께분포, 그리고 블레이드 단면 축적 디자인 등을 설계 할 수 있고, 블레이드가 설계 되면 설계된 블레이드에 대해서 공력 성능 및 소음을 예측하게 됩니다.

유체기계에서는 팬을 설계하기 전에 설계 요구사양이 정해지면, 그 요구사양에서는 어떠한 팬이 적합한지 결정을 할 수 있습니다. 이러한 팬 타입을 결정하기 위해서 비속도 값을 계산하게 됩니다. 비속도 값은 설계 압력, 설계 유량, 그리고 팬의 회전속도를 가지고 계산할 수 있습니다. 계산되어진 비속도 값으로 그래프를 통해 팬 타입을 결정할 수 있습니다. 비속도 값이 약 200~800 정도의 값이면 시로코팬을 설계 할 수 있고, 500~1000의 경우에는 터보팬, 그리고, 1000~3000의 경우에 축류팬을 설계 할 수 있습니다. 이러한 비속도는 현재 FanDAS에서 자동적으로 계산을 하여 팬 타입을 추천하고 있습니다.

비속도 값이 정해지면 팬의 설계치수들을 결정해야 하는데, 설계치수들은 비속도 값에 따라서 가이드라인이 제공되고 있습니다. 설계 치수는 축류팬과 원심팬의 치수로 나누어져 있으며, 축류팬의 경우에 허브직경, 팁직경, 날개 끝인 팁부분에서의 코드길이와 날개간격의 비, 그리고 날개의 개수 등으로 정할 수 있습니다. 원심팬의 경우에는 날개의 설계 치수와 스크롤의 설계 치수로 나뉘며 날개의 입구직경, 출구직경, 그리고 날개의 높이 치수 등으로 정할 수 있습니다. 스크롤의 설계변수에서는 날개 입구직경과 출구직경이 정해지면 그에 따른 스크롤 출구의 면적이 정해지고, 스크롤 각도에 따라서 면적으로 정할 수 있습니다. 이러한 모든 설계 치수들은 유저가 치수에 대한 감이 없을 경우에 가이드라인으로 정해주는 값이기 때문에 무조건 옳다고는 할 수 없고, 상황에 따라서 치수를 변경하여 설계를 진행할 수 있습니다.

설계 치수를 입력하여 팬다스에서 설계 및 유동/소음해석을 진행하게 되면 다음과 같이 3D 캐드 형상으로 확인을 할 수 있습니다. 이러한 형상들은 입력된 설계 치수를 기준으로 제작되었습니다. 그리고 이 형상들은 stl이나 iges 확장자로 저장할 수 있습니다.

FanDAS에서 제공하는 3D 모델은 일반적인 캐드 형상인 솔리드 부분을 출력해 줍니다. CFD해석을 위해서는 이러한 솔리드 영역을 제외한 유동공간이 필요하기 때문에 캐드 프로그램에서 유동공간을 추출하는 작업이 필요합니다. 유동공간을 추출하는 기능은 범용 CAD 프로그램에서  불리언 오퍼레이션 기능을 사용합니다.

▣ 설계최적화

설계 최적화는 설계하고자 하는 팬의 성능을 높일 수 있는 설계 치수를 결정하는 과정입니다.  본 예제에서는 재생형 블로워의 설계에서 최적화를 진행하였습니다. 우측에는 재생형 블로워를 설계하기 위해 필요한 설계 치수들입니다. 이것이 재생형 블로워에서 요구하는 설계 사양이 있습니다. 유량은 350LPM으로 나와야 하며, 압력차는 13kPa 이상, 파워는 500와트 이하, 효율은 25% 이상을 요구하고 있습니다. 설계 변수로는 회전수를 8000rpm으로 고정하고, 팁직경, 채널높이, 채널 폭의 세가지 변수를 변경하면서 가장 효과적인 치수를 결정하게 됩니다. 팁 직경은 80~120mm 까지 변하고, 사이드채널의 높이를 10~40mm, 사이드채널의 폭은 5~20mm 로 변경하였습니다. 이러한 설계변수를 변경하면서 위에서 요구하는 요구사양을 만족하는 치수를 정해주면 됩니다.

설계 치수를 최적화하기위하여 설계 변수 중에 팁직경을 80mm, 100mm, 120mm 로 고정하고, 사이드채널의 높이를 10, 20, 30, 40mm 로 각각 변경하면서 폭은 5, 10, 15, 20mm로 변경하였습니다. 그렇게 변경하면서 각각의 성능을 확인한 그래프 입니다. x축은 사이드채널의 폭을 나타내며, y축은 사이드채널의 높이를 나타내고 있습니다. 폭과 높이에 따른 유량, 압력, 효율, 파워, 소음레벨까지 측정한 그래프 입니다. 이 많은 값들 중에서 재생형 블로워에서 요구하는 사양(압력 13kPa 이상, 효율은 25% 이상, 파워는 500W 이하)을 만족하는 치수를 차례대로 선택해서 설계를 진행하면 됩니다.

▣ 최적화 전용소프트웨어인 PIAnO와의 연동

최적화 프로그램은 설계최적화 전용소프트웨인 PIAnO와 연동할 수 있습니다. PIAnO를 활용하면 최적화된 설계 치수를 손쉽체 찾을 수 있습니다. 목적함수를 위한 프로그램으로는 FanDAS를 사용하고, 목적함수를 찾기위한 반복계산을 위해 PIAnO 프로그램을 사용하게 됩니다. PIAnO 프로그램에서도 STDQAO라는 알고리즘을 이용하여 설계 변수의 범위를 정해주면 그 범위 내에서 최적화된 값을 찾아주게 됩니다. 그래서 전체적으로 보시면 설계 변수와 범위를 팁 직경을 100~150mm 로 정해주고, 사이드채널의 폭을 8~15mm, 사이드채널의 높이를 10~30mm으로 범위를 입력합니다. 그리고 설계 구속조건으로 유량은 350LPM, 압력차는 13kPa 이상, 효율은 25% 이상, 파워는 500W 이하를 설정합니다. 이러한 설계 구속조건을 모두 만족하면서 효율이 가장 좋은 설계 변수를 최적화 알고리즘을 이용하여 찾을 수 있습니다. 이러한 과정으로 최적설계를 진행할 수 있습니다

고정된 설계 매개변수는 변하지 않는 설계 변수 값으로 회전속도, 날개의 설치 각도, 임펠러와 사이드채널의 간극, 날개 개수, 날개 두께, 그리고 재생형 블로워의 입구와 출구사이의 각도를 고정된 값으로 설정을 하게 됩니다. 그리고 변경되는 설계 변수로는 팁직경을 100mm 이상 150mm 이하, 사이드채널의 폭을 8mm 이상 15mm 이하, 사이드채널의 높이는 10mm 이상 30mm 이하로 설정을 하게 되고, 구속조건으로 유량 350LPM, 압력차는 13kPa 이상, 파워는 500W 이하로 구속을 시켜서 최종적으로 효율이 가장 좋은 팁직경과 사이드채널의 폭, 높이를 찾게 됩니다.

최적설계로 설계된 치수들을 이용하여 실제 재생형 블로워의 제품을 제작하고, 실험을 진행하였으며 그래프는 유량에 따른 압력 값을 나타내고 있으며, 회전속도에 따른 성능을 비교한 내용입니다.

▣ 재생팬 적용사례

FanDAS에서 재생형 블로워를 설계 할 때 시메트리 면을 기준으로 설계를 진행하기 때문에 재생형 블로워의 절반만 설계를 하게 됩니다. 설계된 재생형 블로워의 형상을 캐드 프로그램에서 유동공간만 추출하여 CFD 해석을 진행하였습니다. CFD 프로그램을 SimericsMP를 이용하여 격자 생성과 해석을 진행하였습니다. FanDAS에서는 설계 변수를 입력할 때 임펠러와 사이드채널의 간극을 고려하여 설계되도록 구성되어 있는데, 3D 형상에서는 임펠러 간극이 고려되지 않은 형상으로 나오게 됩니다. 그래서 SimericsMP에서 간극을 모델링하여 해석을 진행하였으며, 결과를 비교하였을 때 임펠러 간극을 고려하지 않은 경우에는 누설되는 영역이 없기 때문에 성능이 좋게 나오는 것으로 확인하였습니다. 간극을 고려하여 CFD 해석한 결과는 FanDAS 예측 결과와 유사하게 나오고 있습니다.

▣ Axial 팬 적용사례

그림 좌측팬은 기존에 생산되고 있는 축류팬입니다. 같은 치수의 팬을 설계 하는데 FanDAS를 이용하여 설계 및 유동,소음 예측을 진행한 후에 제작을 하였을 경우와 비교해 보았습니다. 실험 결과를 보시면 기존의 팬보다 새롭게 설계한 팬이 성능이 좋게 나오는 것을 확인하였습니다. 성능이 좋아진 것 뿐만 아니라 소음까지 줄이는 효과를 보여주고 있습니다. 우측의 그래프는 FanDAS의 결과와 실험 결과를 비교한 그래프이며 선으로 표시된 부분이 팬다스 결과이고 점으로 찍힌 부분이 실험 결과입니다. 압력과 소음의 결과가 실험 결과와 유사하게 나타나는 것을 알 수 있습니다.

이 모델은 축류팬에 대해서 FanDAS를 이용해 설계를 한후 CFD 해석과 실제 제작 및 실험도 진행한 경우입니다.  노란색 선이 실험 결과이며, 빨간색 선은 FanDAS 결과입니다. 그리고 초록색과 파란색 선이 CFD 해석 결과입니다. SimericsMP 해석 결과가 실험과 유사한 결과를 나타내고 있는 것으로 알 수 있습니다.