에어 덕트 터닝 코너

다양한 터닝 코너 설계를 비교하기 위해 압력 강하(**ΔP**)와 CFD 시뮬레이션 흐름 패턴이 아래 **그림 4**에 제시되어 있습니다. 20 m/s의 입구 기류 속도와 2×2 m 사각형 덕트가 데모 예시로 선택되었습니다. 20 m/s의 속도 범위는 실내 스카이다이빙용 전문가급 수직 풍동이 대부분 회전 섹션의 유속이 10~30 m/s 사이에서 변하는 모드로 작동하기 때문에 데모 목적으로 선택되었습니다. CFD 계산은 20°C, 공기 습도 0, 1 표준 기압에서 압축성 가스와 250 µm 거칠기의 단열 벽을 조건으로 수행되었습니다. 도메인당 600만~1000만 셀의 메시가 사용되었습니다. 입구 경계에는 평탄한 입구 프로파일과 2% 난류가 적용되었습니다. 난류는 k-ε 모델을 사용하여 처리되었습니다.

**주의!** 그림 4에 표시된 그림은 회전 코너 섹션의 작동 원리를 설명하고 몇 가지 유형을 비교하기 위한 목적으로만 제시된 특정 예시입니다. 이러한 사례가 모든 사용 사례에 대해 일반적인 것으로 해석될 수는 없습니다. 모든 실제 환기 시스템 또는 기타 수력 네트워크의 경우, 각 계산 지점에 대해 특정 수력 매개변수, 덕트 크기 및 모양, 거칠기 및 구조적 불규칙성, 흐름 불균일성 및 정확한 물리적 가스 매개변수를 고려해야 합니다. 당사에 문의하여 특정 시스템에 대한 계산을 주문할 수 있습니다.

다음과 같은 설계 사례가 설명됩니다:

1. 가이드 베인이 없는 코너 섹션.
2. 방사형으로 구부러진 흐름 유도 장치가 있는 부드러운 곡선형 코너 섹션(r = 덕트 높이의 ½). 압력 강하는 덕트 스페이서의 수와 형상에 따라 달라집니다. 최적의 형상을 가진 기류 분할 플레이트(splitter plate)의 수를 최소화한 예시가 표시되어 있습니다.
3. 단순한 방사형 곡선 얇은 플레이트 (10-20mm 두께).
4. 가장 가까운 경쟁사의 일반적인 최적화되지 않은 터닝 베인.
5. 최적화된 프로파일을 갖춘 Tunnel Tech의 터닝 베인 (TTE-TV).

소수의 단순한 구부러진 플레이트 분리기(separator)가 있거나 가이드 베인이 전혀 없는 둥근 곡선형 덕트의 가장 큰 문제는 터닝 섹션 출구에서의 압력 및 속도 분포 패턴입니다(**그림 4, 사례 2**, 출구 단면 참조). 이 패턴은 속도가 각 흐름 하위 도메인의 외벽에서 내벽으로 갈수록 증가하여 불균일한 흐름, 큰 난류 및 소음을 유발함을 보여줍니다. 회전 반경이 작을수록 흐름 박리(flow separation), 압력 및 속도장 왜곡, 소음 수준 및 압력 강하 값의 가능성이 커집니다.

이러한 문제를 극복하는 유일한 방법은 코너 섹션의 곡률 반경을 크게 하고 기류 가이드 베인의 수를 늘리는 것입니다. 여기서 두 번째 문제가 발생합니다. 즉, 이러한 굴곡을 수용하기 위해 필요한 공간의 증가와 덕트 단면에 맞춰진 여러 방사형 에어 덕트 스페이서의 재료 비용입니다. 대형 덕트 시스템에서 부드러운 반경 굴곡을 구현하면 구조물이 비합리적으로 커질 수 있어, 특히 공간이 부족한 많은 시나리오에서 이 접근 방식은 비실용적입니다. 필요한 추가 공간은 아래 **그림 4, 사례 2**의 점선으로 표시되어 있습니다. 각 회전의 높이와 너비를 덕트 크기의 최소 ½만큼 늘려야 합니다. 순환식 풍동의 경우 이는 건물 치수가 각 방향으로 몇 미터씩 증가함을 의미하며, 이는 더 높은 덕트 작업 비용과 더 높은 자본 투자로 이어집니다. 또한, 각 흐름 분할기(flow divider)는 덕트 벽과 동일한 비용이 듭니다.

풍동 및 산업용 환기를 위한 최적의 솔루션은 **그림 4의 사례 3-5**와 같이 대각선을 따라 배치된 익형(wing profile) 회전 베인 섹션입니다.

위의 모든 CFD 이미지는 실내 스카이다이빙 및 저속 아음속 풍동의 사용 사례와 가장 관련이 깊은 예시로서, 20 m/s의 공기 유속에서 2x2m 입구를 가진 에어 덕트 코너 섹션에 해당합니다.

**그림 4의 사례 3**은 얇은 구부러진 금속판으로 만들어진 단순한 가이드 베인이 있는 코너 섹션을 보여줍니다. **그림 4의 사례 4**는 TunnelTech의 가장 가까운 경쟁사에서 제공하는 회전 베인의 가장 좋은 예입니다. 두 경우 모두 코드 길이가 짧고 최적화되지 않은 익형 형상을 가지고 있어, 섹션 출구에서 잔류 흐름 불균일성, 더 큰 공기역학적 저항 및 에어 덕트 소음이 발생하는 것으로 보입니다. 단순한 구부러진 금속판으로 만든 얇은 베인은 낮은 풍속에서도 허용 소음 수준을 초과하는 경우가 많으며, 코드 대 두께 비율이 낮은 두껍고 짧은 프로파일 옵션은 표면적이 작아 열 전달을 위해 냉각 터닝 베인을 사용하는 애플리케이션에서는 바람직하지 않습니다.

**그림 4의 사례 5** 하단에는 고성능 Tunnel Tech 터닝 베인(주문 시 다음 p/n 참조: **TTE-TV-90**)이 장착된 에어 덕트 코너가 나와 있습니다. 단면에서 볼 수 있듯이 적절하게 프로파일링된 가이드 베인의 경우 흐름이 더 균일하며, 이는 압력 강하를 줄이고 난류를 낮추는 결과로 이어집니다.

출구 공기 압력/속도 프로파일 또한 긴 코드(long-chord) 베인을 장착한 Tunnel Tech의 코너 섹션이 다른 경우보다 훨씬 우수합니다. 이는 전문 스카이다이버 및 기타 고객들의 수많은 리뷰에 반영된 바와 같이 타의 추종을 불허하는 Tunnel Tech의 공기역학적 품질로 이어집니다.

코드 길이 및 냉각 옵션을 포함하여 위에서 논의된 모든 데이터는 **표 1**에서도 확인할 수 있습니다.

근사 방법은 일반적으로 수력 네트워크 요소 입구에서의 속도 프로파일 왜곡을 다루지 않으며, 기껏해야 프로파일이 발달되었는지 또는 아직 발달되지 않았는지(균일한지), 그리고 경계층 매개변수만 고려합니다. 풍동 및 산업용 환기 시스템에서 각 흐름 회전은 불균일성과 강한 흐름 소용돌이(swirl)를 유발할 수 있으며, 이는 긴 수력 네트워크의 수력 저항 계산에 불확실성을 초래합니다. 따라서 가능한 경우 큰 속도 프로파일 불규칙성의 발생을 피해야 합니다.

**그림 6**과 위에서 입증된 바와 같이 TunnelTech 터닝 베인이 있는 터닝 섹션의 매개변수는 추가적인 흐름 교란을 생성하지 않을 뿐만 아니라 터닝 섹션 하류의 소용돌이와 불균일성을 감쇠하는 데에도 사용할 수 있습니다. 따라서 TunnelTech 베인이 있는 회전 섹션은 효과적인 흐름 정류기 역할도 할 수 있으며, 축류 팬, 덕트 디퓨저, 열교환기, 테스트 섹션, 분기 또는 덕트 탭핑, 또는 기타 난류 생성 물체 뒤에 설치됩니다.

터닝 코너의 **국부 저항 특성**은 잘 알려진 Darcy-Weisbach 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다:

여기서:

• **ΔP** – 총 압력 손실(압력 강하), 단위: Pa;
• **ξ** – 국부 저항(Darcy-Weisbach) 계수;
• **ρ** – 유체 밀도 (kg/m³);
• **V** – 입구 단면에서의 유체 속도 (m/s).

에어 덕트의 에너지 효율성을 결정하는 이러한 매개변수는 터닝 베인 설계에 크게 의존합니다.

[4]에 따르면 복잡한 수력 요소의 총 저항은 길이 마찰 저항 ξ_L과 국부 저항 ξ₀의 합으로 나타낼 수 있습니다:

직선 에어 덕트의 경우 길이 저항은 길이에 비례하고 수력 직경(hydraulic diameter)에 반비례하며, 이는 다음 공식으로 표현됩니다:

여기서 **f**는 **Darcy 마찰** 계수입니다.

단순한 형태의 파이프(예: 원형, 사각형, 육각형)의 경우, **f**는 레이놀즈 수에 대한 비선형 의존성으로만 표현될 수 있습니다. [4]의 2장 또는 https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation을 참조하십시오.

입구에서 발달된 안정화된 유동 프로파일과 난류 영역(레이놀즈 수 Re > 4×10³)을 갖는 매끄러운 벽의 단순 원형 파이프(원형 덕트)에 대한 마찰 계수 **f**는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

실제 거친 덕트의 경우, 총 저항을 길이 저항과 국부 저항의 합 ξ_SUM = ξ_L + ξ₀으로 나타내는 것이 여전히 가능합니다.

이러한 합계 표현은 덕트 매개변수 연구를 단순화합니다. 국부 저항 ξ₀는 단순화된 요소 형상(예: 더 작은 계산 도메인을 가진 문제의 주기적 공식화 또는 문제의 2D 버전)에 대해 계산할 수 있기 때문입니다. **그림 4**에 표시된 예시의 계산 도메인 크기가 엄청나다는 점에 유의하십시오. 섹션의 높이는 3미터, 길이는 18미터이며, 1000만 개 이상의 메시 요소 크기에서 그리드 수렴이 적절하게 나타나기 시작합니다. 이러한 경우에 대한 주기적 또는 2D 조건을 가진 문제 공식화 변형은 메시 요소 수가 훨씬 적을 수 있으며, **ΔP(v)** 그래프의 각 속도 지점에 대한 단순화된 계산은 몇 시간이 아니라 몇 분 또는 몇 초 만에 완료될 수 있습니다.

따라서 두 저항의 합으로 분할하면 계산을 크게 단순화할 수 있습니다. 국부 저항 ξ₀를 빠르게 결정한 다음 길이 저항 ξ_L을 추가할 수 있습니다. 후자는 알려진 표에서 추정하거나 무차원 수 및 에어 덕트 형상 매개변수를 기반으로 한 단순화된 방정식을 사용하는 근사 공식을 통해 빠르게 추정할 수 있습니다. 흐름 방향이 급격하게 변하는 수력 및 덕트 네트워크 요소(각진 엘보우, 부드러운 굴곡, 터닝 베인이 있거나 없는 다양한 각도의 굴곡)의 경우, 포괄적인 수력 저항 핸드북(Handbook of hydraulic resistance) [4]의 6-1장 및 6-2장에 유사한 접근 방식과 방법이 제시되어 있습니다.