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문제 정의
- 본 연구에서는 액적의 벽면 충돌 거동을 구체적으로 규명하기 위하여 단일 액적이 벽면에 충 둘 할 때, 액체의 종류와 온도 변화에 따른 벽면 충돌 거동에 대한 실험을 수행하며, 특히 연료의 온도가 저온 영역일 때를 포함하여 특성을 고찰한다.
제안 방법
- 본 실험에서는 평판에 입사되는 액적의 온도가 충돌 분무의 거동에 미치는 영향을 규명하기 위하여 분무 액체로는 물성치가 각각 다른 물, 연료 A와 연료 B를 사용하였다. 물의 경우에 분사 가 원활하게 이루어질 수 있는 온도 범위인 10℃ ~ 30℃에서 실험을 수행하였으며, 연료 A와 연료 B는 -20℃ ~ 30℃의 범위에서 실험을 수행하였다. 온도는 액적 발생기로 액체가 들어가기 전 2cm 지점에서 측정하였으며, 각각의 겅우에 대한 실험을 시작하기 전에 평판의 충돌지점에 열전대를 설치하여 약 10분 동안 온도를 측정하여 두 가지 온도를 비교한 결과 온도 차가 없거나 매우 작음을 확인하였다.
- 액체의 온도변화가 액적의 벽면 충돌 후 분산 분무 특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 Kerosine 계열의 연료 A 연료 B 그리고 물을 액체로 하여 균일 액적의 평판 충돌에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 항온 조에 장착된 열교환기에서 온도가 조절된 액체는 다시 필터를 거친 후 액적발생기로 공급된다. 이때, 액적발생기의 입구에 압력계와 열전대를 장착하여 연료의 분사압력과 온도를 각각 측정하였다. 분사압력은 액적 발생기가 안정적으로 액적을 형성할 수 있는 2kg/cm2로 하였다.
- 8㎛~564㎛인 300mm 렌즈를 사용하였다. 충돌 분무 액적들의 평균 직경은 차광 거리 (Cut-off-Distance)를 고려하여 측정하였고 측정할 때에는 빔의 직경이 10mm임을 감안하여 평판에 액적 이 충돌하는 위치로부터 수평 방향(X)으로 0.5cm 간격으로, 수직 방향(Y)으로는 1cm 간격으로 변화시켜가며 측정하였다. 모든 실험 측정치는 방 해도(Obscuration)가 0.
- 3은 액적이 평판에 입사할 때에 평판과 액적이 이루는 각도인 액적 입사각 %과 평판에 충돌하여 반사되어 나오는 액적들이 이루는 분산 각 인을 나타내고 있다. 측정 위치를 효과적으로 나타내기 위하여 충돌 점으로부터 수직 거리를 Y, 수평거리를 X로 정의하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 액적의 평균직경 측정을 위하여 빔의 회절을 이용하여 액적의 크기를 측정하는 Mal.,ern Particle Sizer를 사용하였으며, 즉정 입경 범위가 5.8㎛~564㎛인 300mm 렌즈를 사용하였다. 충돌 분무 액적들의 평균 직경은 차광 거리 (Cut-off-Distance)를 고려하여 측정하였고 측정할 때에는 빔의 직경이 10mm임을 감안하여 평판에 액적 이 충돌하는 위치로부터 수평 방향(X)으로 0.
- 본 실험에서 사용한 액체의 미립 화 장치는 단일 액적을 형성시키기 위하여 진동방식 단 분산 분 체 입자 발생기 (Vibrating orifice mono-disperse aerosol generator)를 사용하였다. 분무 장치는 비교적 낮은 압력에서 단공노즐에 의해 형성되는 액 주를 분열시키기 위하여 액주에 기계적 에너지를 가하여 미립 화 시키는 방법이며, 액주(liquid column) 또는 원통형 액체 분류(cylindrical liquid jet)의 불안정성과 분열 원리를 이용한 것이다.
- 본 실험에서는 평판에 입사되는 액적의 온도가 충돌 분무의 거동에 미치는 영향을 규명하기 위하여 분무 액체로는 물성치가 각각 다른 물, 연료 A와 연료 B를 사용하였다. 물의 경우에 분사 가 원활하게 이루어질 수 있는 온도 범위인 10℃ ~ 30℃에서 실험을 수행하였으며, 연료 A와 연료 B는 -20℃ ~ 30℃의 범위에서 실험을 수행하였다.
- 실험에 사용된 분무 액체는 등유(kerosine) 계열 연료인 연료 A, 연료 B와 물이며 Fig. 1은 각각의 온도에 따른 물성치의 변화를 나타낸 깃이다.
- 4는 물의 온도가 20℃(2이고 액적 발생기 오리피스 직경이 일 때 액적발생기에서 생성된 액적들의 직접 사진이다. 실험에서 사진 e Nikon 50mm 렌즈에 접사링(Extension tube)고]' 스트로보스코프를 사용하여 촬영하였다. 사진에서 보면 균일한 액적이 일정한 간격을 유지하며 분사됨을 확인할 수 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Berglundd-Liu(10)가 제시한 오리피스를 통하여 분사되어진 원통형 액주를 진동자로 교란을 주어 분열시키는 방법을 사용하였다.
- 그러나 여기서 약간의 압력이나 유속을 좀 더 가해준다면 원통형 액체 분류는 제어가 힘들어져 불안정해지며 액적으로 분해되려 하는데 이러한 상태를 제어하지 않고 두면 불균일(non-uniform)한 액적이 생기지만, 이 원통형 액체 분류에 규칙적으로 적절한 주파수의 외란(disturbance)을 주게 되면 매우 균일한 액적이 발생하게 되며 분열 과정을 제어할 수 있게 되는 것이다. 외 란을 주는 방법으로 전기적 신호에 따라 진동하는 Piezoelectric Ceramic을 이용하였다. 또한 주파 수당 하나의 액적이 발생하므로 교란의 주파수와 액체의 공급 유량으로부터 단일 액적의 체적을 정확히 계산할 수 있다.
성능/효과
- (1) 액적 입사각이 증가함에 따라 충돌 시 액적이 갖게 되는 평판에 수직한 속도 성분의 증가로 인해 액적이 평판에 의해 받게 되는 반력이 증가 하고 액적 내부 압력이 증가하게 되어 충돌 후 분열되어 이탈되는 액적들의 분산 각이 증가한다.
- (2) 액적 입사각이 증가할수록 분산액 적의 질량 유량이 증가하여 액 막 유량은 감소하며 그 정도는 입사액 적의 표면장력이 작을수록 입사액 적의 크기가 클수록 더 크다.
- (3) 액적의 온도가 증가함에 따라 액적들이 갖는 표면 장력과 점성의 감소로 인하여 이탈 액적의 SMD는 감소한다.
- (4) 분산액 적은 벽면 근처에 주로 존재하며 이곳에서 표면장력과 점서이 감소할수록 체적농도는 증가한다.
- (5) 액적의 온도가 증가함에 따라 표면장력의 감소로 인하여 평판에 흐르는 액막의 양이 적어지게 되어 이탈 질량 유량은 증가한다.
- 3333px; background-color: rgba(255, 0, 0, 0.25);">(5)이 벽면에 액적이 중돌 할 때 액적의 변형 과정과, 가열 평판에 충돌할 때 열전 달 모델 및 액적의 증발 수명에 관하여 제시한 수치적 결과는 실험 결과와 일치하였으며, 가열 평판에 충돌한 액적 내부의 온도분포는 일반적인 에너지 평형식에 의한 것보다 일차원이나 이차원 열전도 방식에 의한 것이 더 정확함을 보였다. Chang et al.
- Ryoo 등(12)은 소형 디젤 연소 실내에 충돌부의 형상 및 크기를 변화시킬 때 충돌 분무의 특성 변화를 수치 해석을 통하여 해석하여 충돌부의 경사각이 클수록 분무의 관통 길이는 감소하는 반면, 분무의 상하부 폭은 충돌 면을 기준으로 경사면 근처에 주위 가스 유동에 의하여 고루 퍼짐을 보였다. 또한 연료의 증발이 넓은 부분에서 이루어지며 경사각이 클수록, 충돌 부위의 면적이 넓을수록 미립 화가 잘 이뤄짐을 보였다. Moon 등(13)은 가열이 가능한 플 러그(Glow plug)에 액적을 충돌시키는 실험을 수행하여 충돌시키지 않고 분사시켰을 때와 비교하였는데 분사 액적들의 증발율은 가열된 플러그의 표면에 충돌하였을 때가 상온에서 충돌 없이 분사하였을 때보다 높음을 실험적으로 보였다.
- N값의 수평 방향 변화는 연료 A가 저)일 크고 물의 경우가 다음이며 연료 B의 수평 방향 변화는 작게 나타난다. 또한 온도가 증가할수록 즉 점성과 표면장력이 감소할수록 N값은 감소하며, 액체가 물일 때 분산 분무 외곽에서의 온도에 따른 N값이 변화폭이 크지만 연료 B는 차이는 크지 않음을 보여준다. 이는 온도가 낮으면 표면장력과 점성이 커져서 다양한 크기의 액적을 생성하는 여러 단계의 분열 과정이 억제되어 보다 균일한 액적이 생성되는 것으로 생각된다.
- 실험에서 사진 e Nikon 50mm 렌즈에 접사링(Extension tube)고]' 스트로보스코프를 사용하여 촬영하였다. 사진에서 보면 균일한 액적이 일정한 간격을 유지하며 분사됨을 확인할 수 있다.
- 실험 중 액적 발생기와 충돌 평판과의 거리는 항상 3cm로 일정하게 유지하였으며, 액적 발생기의 오리피스 직경은 150pim로 동일하게 하였다. 액적 발생기에 가해준 교란 주파수는 물의 경우 10.
- 물의 경우에 분사 가 원활하게 이루어질 수 있는 온도 범위인 10℃ ~ 30℃에서 실험을 수행하였으며, 연료 A와 연료 B는 -20℃ ~ 30℃의 범위에서 실험을 수행하였다. 온도는 액적 발생기로 액체가 들어가기 전 2cm 지점에서 측정하였으며, 각각의 겅우에 대한 실험을 시작하기 전에 평판의 충돌지점에 열전대를 설치하여 약 10분 동안 온도를 측정하여 두 가지 온도를 비교한 결과 온도 차가 없거나 매우 작음을 확인하였다.
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