유동과 음향 특성을 고려한 흡입 머플러 최적설계

Abstract

본 연구에서는 위상/형상 최적 설계 기법을 이용하여 목표 주파수 대역에서 높은 투과 손실과 낮은 압력 손실을 갖는 흡입 머플러 내부의 형상을 설계했다. 이를 위해, 위상 최적 설계로 얻은 최적 위상을 초기 형상으로 사용하여 형상 최적 설계를 수행하는 2 단계 설계 기법(2 step design process method)을 정립했다. 위상 최적 설계 기법을 적용하는 과정에서는 유동과 음향 위상 최적 설계를 동시에 수행하는 방법과 순차적으로 수행하는 방법을 비교하여 최적의 유로와 격벽 배치를 갖는 위상을 얻는 방법을 결정했다. 보다 우월하다고 판단된 순차적 유동/음향 위상 최적 설계의 결과에서는, 유로의 아래에 있는 설계 영역에서만 공명기 구조의 격벽이 생성됐다. 이 최적 위상의 투과 손실 곡선은 목표 주파수 대역에서 하나의 피크만 갖았다. 따라서, 보다 넓은 주파수 대역에서 높은 투과 손실 값을 갖도록 설계하기 위해서, 유로의 아래에 있는 설계 영역을 세 개로 분할했다. 분할된 각 설계 영역에 대해 음향 위상 최적 설계를 진행하여 서로 다른 주파수에서 피크 투과 손실 곡선을 갖도록 설계했다. 이 결과를 고려하여 결정된 흡입 머플러의 초기 형상에 대해 형상 최적 설계를 진행했다. 이번 방법으로 목표 주파수 대역에서 높은 투과 손실 값을 갖도록 설계된 2 차원 흡입 머플러의 내부 형상을 3 차원으로 확장해 최종 설계를 마무리했다. 이렇게 설계된 3 차원 흡입 머플러도 목표 주파수 범위에서 목표한 값보다 높은 투과 손실 값을 갖고, 허용한 값보다 낮은 압력손실 값을 갖게 됐다. 본 연구에서 제시한 흡입 머플러 설계 방법은 설계자의 경험과 직관은 배제하고 위상/형상 최적 설계 기법을 기반으로 개발되었기에, 향후 유동과 음향 특성을 함께 고려해야 하는 음향 장치 설계에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대한다.