배관 벽면 수력학적 및 음향 압력 성분 분리를 통한 유동 기인 및 음향 기인 진동소음 기여 특성 분석 = Analysis of Flow-Induced and Acoustic-Induced Vibro-Noise Contributions through the Separation of Hydrodynamic and Acoustic Pressure Components on the Pipe Wall

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Piping systems used to transport fluids such as water, fuel oil, and steam in various industrial fields are subjected to excitation from multiple sources, including pump induced pressure pulsations, internal fluid induced loads, and vibrations transmitted from supporting structures. If fluid transport piping systems are damaged by excessive vibation, the resulting system shutdown can lead to significant economic losses as well as potential safety hazards. In recent years, increasing demands for higher system performance and efficiency have led to higher operating speeds of pressurization devices, accompanied by increased fluid transport velocities, thereby amplifying the relative contribution of flow-induced noise. In particular, acoustic pressure components in the high frequency range have been reported to excite circumferential shell modes of piping structures, causing stress concentration and fatigue damage at geometric discontinuities such as welds and pipe joints. Therefore, to ensure the economical and safe design and operation of piping systems, it is essential to accurately predict and analyze fluid-induced excitation forces.
In the present study, numerical methodologies suitable for internal pipe flow analysis were first examined. Based on the selected numerical approach, the wall pressure excitation forces obtained from the CFD analysis were validated by comparing them with experimental measurements, while the predicted acoustic mode frequencies were compared with theoretical values. In addition, a wavenumber-frequency analysis was performed on the wall pressure excitation forces, and the hydrodynamic and acoustic pressure components were decomposed based on the dispersion relation. The propagation characteristics of each pressure component were further analyzed. Finally, the extracted wall pressure excitation forces were applied to a one-way fluid-structure interaction (FSI) analysis to evaluate the radiated sound pressure over the entire piping system and to assess the contribution of each decomposed pressure component to the radiated noise.
The circumferential acoustic modes generated by the internal flow were found to excite the high frequency circumferential structural modes of the pipe, resulting in the dominance of radiated sound pressure induced by acoustic pressure components in the high frequency range above approximately 4 kHz. In contrast, the hydrodynamic pressure components formed by vortical structures generated at the noise source were dominant in the lower frequency range below approximately 4 kHz, thereby
exerting a major influence on radiated noise in the relatively low frequency region.
The results of this study indicate that the formation of radiated noise is governed not only by the propagation characteristics of the pressure components but also by fluid-structure interaction behavior. Accordingly, to more clearly evaluate the characteristics of radiated noise, it is necessary to separate the hydrodynamic and acoustic pressure components and analyze their respective contributions to noise generation. In this regard, the present study provides a effective approach for assessing the contribution mechanisms of radiated noise in piping systems.

국문 초록 (Abstract)

다양한 산업 분야에서 물, 연료유, 증기 등 유체를 이송하기 위해 사용되는 배관 구조 는 펌프의 맥동압, 내부 유동에 의한 하중, 지지 구조로부터 전달되는 진동 등 여러 가지 기진원에 의해 가진된다. 유체 이송 배관계가 심한 진동으로 손상될 경우, 전체 시스템의 작동 중단으로 이어져 경제적 손실뿐만 아니라 안전사고를 유발할 수 있다. 최근에는 시 스템의 성능 및 효율 향상을 위해 가압 장치의 작동 속도가 증가하면서 유체 이송 속도 또한 증가하고 있으며, 이에 따라 유동 기인 소음의 상대적 기여도가 커지고 있다. 특히 음향 압력 성분은 비교적 고주파 영역에서 배관 구조의 쉘 모드 진동을 유발하여 용접부 및 배관 연결부와 같은 구조적 취약 지점에 응력 집중과 피로 파괴를 초래할 수 있음이 보고되고 있다. 따라서 배관 시스템을 경제적이면서도 안전하게 설계 및 운용하기 위해 서는, 유체 기인 가진력을 정밀하게 예측하고 이를 분석하는 연구가 필수적이다.
본 연구에서는 배관 내부 유동 해석에 적합한 수치 기법을 우선적으로 검토하였다. 선 정한 수치 기법을 기반으로 도출된 배관 벽면 압력 가진력을 실험값과 비교하고 음향 모 드 발생 주파수를 이론값과 비교함으로써 유동 해석 결과의 유효성을 검증하였다. 또한 배관 벽면 압력 가진력에 대해 파수-주파수 분석(Wavenumber -Frequency Analysis, WFA) 을 수행하고 분산 관계(dispersion relation)를 기반으로 수력학적 및 음향 압력 가진력을 분리하였다. 추가적으로 각 압력 성분의 전파 특성을 분석하였으며, 산출된 벽면 압력 가 진력을 단방향 유체-구조 연성 (Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석 기법에 적용함으로써 배관 전체 영역에서의 외부 방사 음압을 평가하고 분리된 각 압력 성분의 외부 방사 소 음 기여 특성을 분석하였다.
유동에 의해 형성된 원주 방향 음향 모드는 배관의 고주파 원주 방향 구조 모드를 가 진하며, 그 결과 약 4 kHz 이상의 고주파 대역에서는 음향 압력 성분에 의한 방사 음압이 지배적으로 나타남을 확인하였다. 반면, 소음원에서 발생한 와류 성분에 의해 형성되는 수력학적 압력 성분은 약 4 kHz 이하의 주파수 대역에서 지배적으로 나타나며, 이에 따라 상대적으로 저주파 영역에서 방사 소음에 주요한 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
본 연구 결과를 통해 외부 방사 소음의 형성에는 압력 성분의 전파 특성뿐만 아니라 유체-구조 결합 거동이 중요한 요인으로 작용함을 확인하였다. 이에 따라 외부 방사 소음 특성을 보다 명확히 평가하기 위해서는 수력학적 압력 성분과 음향 압력 성분을 분리하 여 각각의 소음 기여 특성을 분석하는 접근이 필요함을 제시하였으며, 본 연구는 이를 위 한 하나의 유효한 접근법으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Objective and contributions of this thesis 7
• Chapter 2. THEORETICAL BACKGROUND 9
• 2.1. Fundamentals of fluid-induced excitation forces 9
• 2.2. Fundamentals of duct-acoustics 13
• 2.3. Target pipe geometry 17
• Chapter 3. NUMERICAL METHODS FOR HIGH-ACCURACY ANALYSIS 22
• 3.1. Numerical schemes for Computational Fluid Dynamics 22
• 3.1.1. Governing equations for Computational Fluid Dynamics 23
• 3.1.2. Subgrid-scale model 27
• 3.1.3. Mesh setup for Computational Fluid Dynamics 33
• 3.1.4. Boundary conditions and solver setup for Computational Fluid Dynamics 41
• 3.2. Numerical schemes for Computational vibro-acoustics 45
• 3.2.1. Governing equations for vibro-acoustics 45
• 3.2.2. Mesh setup for vibro-acoustics 48
• 3.2.3. Material properties and boundary conditions for vibro-acoustics 52
• Chapter 4. ANALYSIS OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS RESULTS 54
• 4.1. Validation of CFD results 54
• 4.2. Analysis of the pressure-field 63
• 4.2.1. Wavenumber-frequency analysis 63
• 4.2.2. Decomposition of pressure components 74
• Chapter 5. ANALYSIS OF COMPUTATIONAL VIBRO-ACOUSTICS RESULTS 81
• 5.1. Validation of vibro-acoustics results 81
• 5.2. Analysis of the influence of pressure components 87
• Chapter 6. CONCLUSIONS 92
• REFERENCES 95