Vibration and Sound Radiation of Complex Structures Interacting with Surrounding Fluid Subjected to Pressure Wave and their Reduction using Impact Dampers

Abstract

본 논문에서는 급수펌프에서 배출되는 난류유동 및 압력파에 의한 핵연료봉 다발체의 불안정한 진동을 예측하고, 저감대책을 제시하였다. 급수펌프 내부의 유동특성을 파악하기 위해서 격자볼츠만법을 이용하여 국부적인 난류유동과 압력 스펙트럼을 예측하였다. 물 배관계의 직관과 곡관에 따라 압력 스펙트럼의 주파수 범위와 레벨크기 변화를 계산하였고, 수중에서의 난류소음방사의 지향성을 예측하였다. 급수펌프에서 배출되는 난류유동 및 압력파로 가진되는 핵연료봉 다발체의 응답을 예측하기 위해 스펙트럴요소법을 사용하였다. 핵연료봉 다발체는 원형 실린더의 집합체로 가정하였고, 연료봉 사이의 유체는 질량 연성으로 모델링하였다. 핵연료봉 다발체에 작용하는 유체에 의한 힘과 연성을 계산하기 위해 점성이론을 이용하였다. 구조물의 단면 형상과 간격, 배열에 따라 연료봉의 부가질량 및 점성감쇠를 도출하였다. 연료봉의 표면에 따른 경계조건을 사용하여 면적에 따른 압력힘을 계산하였다. 핵연료봉 다발체 주변의 유동속도 및 방향에 따라서 구조물의 항력과 양력을 계산하였다. 유동 속도에 따라 핵연료봉 다발체의 유체탄성 불안전성과 좌굴 현상을 예측하여 구조물의 안정성을 검토하였다. 유동에 의한 핵연료봉 다발체의 진동 및 소음방사를 저감하기 위해 질량과 강성을 이용하여 충돌댐퍼를 개발하였다. 핵연료봉 다발체의 예측모델을 단순화시키기 위해서 전달함수법을 통해 단일보로 모사하였고, 유체와 지지강성에 따른 등가강성 및 감쇠를 예측하였다. 충돌 댐퍼의 질량과 복합 구조물과의 비탄성 충돌 모델을 검증하기 위해서 1자유도 시스템을 모델링하였다. 충돌댐퍼와 구조물의 질량비와 간격, 댐퍼의 공진주파수의 변화를 통해 등가감쇠를 계산하였다. 연속체의 진동저감을 검증하기 위해서 충돌 메타구조를 이용한 단일보의 구조진동을 해석하였다. 유한요소해석을 이용하여 시간에 따른 단일보와 댐퍼의 충돌 경계조건을 모사하였다. 파수 접근법을 통해 충돌 메타구조의 반사계수를 측정하였고, 주파수에 따른 충돌에너지 소산을 검증하였다. 간이 복합 구조물과 충돌 댐퍼를 제작하여 진동 실험을 통해 반사계수를 비교하였다. 마지막으로 레일리 적분을 이용하여 복합 구조물의 음향 방사를 계산하고, 충돌 댐퍼의 음향방사 감쇠효과를 검증하였다. 추가적으로 급수펌프의 난류로 인한 압력 스펙트럼을 줄이기 위해서 유체 구조 연성을 고려한 유한차분법을 통해 소음제어 장치인 고무관 및 소음기를 모델링하였다. 고무관을 관 형태의 탄성막으로 가정하였고, 소음기는 탄성막과 흡음재, 강체관의 조합으로 구성하였다. 소음제어 장치의 전, 후반부의 음압을 계산하여 난류 및 충격파의 크기와 소음기 및 고무관의 성능을 예측하였고, 설계변수를 설정하여 난류소음을 효과적으로 줄일 수 있는 방안을 제안하였다. 난류 및 충격성 소음을 줄이기 위해서 메타구조물을 이용하여 순음성분에 의한 투과손실 성능을 향상시켰다. 이를 통해 급수펌프의 난류유동으로 가진되는 핵연료봉 다발체의 불안정한 진동을 예측하였고, 충돌 댐퍼를 통해 구조 진동의 감쇠를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 핵연료봉 다발체의 진동을 효과적으로 차단시키기 위해서는 기존에 사용되었던 지지격자의 설계를 변경하여 구조물과의 충돌을 통해 감쇠성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 수중 복합 구조물에서 발생하는 진동 및 음향 방사를 예측할 수 있는 수치해석 단순모델을 제시하였다. 단순모델을 통해서 유동과 압력 섭동을 고려한 수중 구조물의 안전 설계가 가능하고, 환경소음 및 충격저감 소재 개발에도 기여할 수 있다.; This study presents a method for reducing vibration and radiated sound generated by nuclear rod bundles subjected to pressure wave in a water pipe system by using impact dampers. A numerical simulation was performed to predict the sound pressure level and important frequency ranges of noise generated by turbulent flow in the water pipe system by using PowerFlow. To calculate the input pressure acting on the nuclear rod bundles, a beam pattern for the radiated noise in the fluid medium was calculated. The structural behavior of the nuclear rod bundles consisting of cylindrical beams interacting with the surrounding fluid subjected to pressure wave was predicted using the spectral element method. To calculate the fluid forces acting on the nuclear rod bundles, viscous fluid theory was used. The added mass and fluid coupling of the nuclear rod bundles was determined for various cross sections, position patterns, and gaps of each of the cylindrical beams. Using the boundary conditions of the surfaces of vibrating structures, the pressure force for each beam was predicted. The fluid coefficients for the nuclear rod bundles was analyzed by various flow velocities of the surrounding fluid. Fluidelastic instability was investigated by increasing the flow velocities to calculate the critical velocities. The impact damper was applied by reducing the vibration and radiation sound for the nuclear rod bundles induced by fluid flow. To model the simplified beam, the effective properties for the nuclear rod bundles were calculated using a transfer function method. The impact damper was modeled by a single degree of freedom system to verify the effect of the inelastic impacts between the damper and complex structures. The effective damping ratio was calculated by various mass ratios, clearances, and tuned frequencies. To verify the reduced vibration for nuclear rod bundles, the simplified beam was modeled and its vibration was analyzed using meta–structures. The finite element method of discrete time was used to model these impacts in real–time. Using wave propagation analysis, the reflection coefficient of the beam was calculated and estimated to verify the dissipation of the vibration energy. The sound pressure radiating from the nuclear rod bundles was calculated to confirm the reduction of the radiation efficiency. To reduce the noise generated by turbulent flow in the water pipe system, devices for noise reduction such as an expansion chamber, rubber pipe, and acoustic silencer were designed using fluid–structure interaction analysis based on the finite difference method. The rubber pipe was assumed to be an elastic cylindrical shell. The acoustic silencer consisted of an elastic membrane, sound–absorbing materials, and rigid pipes. The amount of noise reduction was investigated by calculating the pressure fields in the devices for noise reduction. To evaluate the performance of the devices for noise reduction, the transmission losses were predicted using the four–microphone method. The important factors for design of devices for noise reduction were identified to reduce the radiated noise within the fluid field. To reduce the tonal noise in the water pipe system, a meta–silencer consisting of periodic structures was designed numerically, and the effective acoustic properties were investigated. The proposed method can be utilized for detailed design of effective parameters of a spring system to control the noise and vibration of complex systems in the fluid. And, the proposed noise control devices can be used to reduce the input pressure wave acting on the complex structures.