[논문]분사조건에 따른 기체/액체 동축형 인젝터의 분무특성에 관한 연구

정원호; 김동준; 임지혁; 윤영빈

doi:10.5139/jksas.2005.33.1.054

[국내논문] 분사조건에 따른 기체/액체 동축형 인젝터의 분무특성에 관한 연구
A Study on Characteristics of Gas/Liquid Coaxial Sprays Under Varying Flow Conditions 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.33 no.1, 2005년, pp.54 - 61

정원호 (서울대학교 대학원 기계항공공학부) , 김동준 (서울대학교 대학원 기계항공공학부) , 임지혁 (서울대학교 대학원 기계항공공학부) , 윤영빈 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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기체와 액체 추진제를 사용하는 동축형 분사기의 분무특성을 조사하기 위하여 shadow graph와 mechanical patternator, PDPA를 이용한 실험을 수행하였다. 차원해석 방법을 도입하여 운동량 플럭스 비(M)와 레이놀즈 수(Re)를 기체/액체 동축형 분무의 주요 변수로 설정하였고, 실험을 통하여 전단 및 스월 동축형 분무의 특성을 거시적 및 미시적 관점에서 비교분석하였는데, 기체 추진제의 영향력이 커지는 분사조건에서 전단 및 스월 동축형 분무의 거시적 특성이 유사해짐을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 미시적 분무특성에 대한 분석 결과로서 분무액적 크기와 분사조건 사이의 관계식도 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Characteristics of sprays injected by gas/liquid coaxial atomizers operated at atmospheric pressure are studied using shadowgraph, mechanical patternator and PDPA. The gas-to- liquid momentum flux ratio(M) and the liquid Reynolds number(Re) are selected as key parameters in characteristics of gas/liquid coaxial sprays from the dimensional analysis. The properties of shear coaxial sprays are compared with those of swirl coaxial sprays through the macroscopic and microscopic analysis. Macroscopic similarities between shear and swirl coaxial sprays are revealed under flow conditions of high momentum flux ratio. Also, empirical correlations between the mean drop diameters(D32) and operating conditions of coaxial sprays are proposed in this paper.

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문제 정의

본 연구에서는 다양한 분사조건 하에서 기하학적 형상이 완전히 동일한 전단 및 스월 동축형 인젝터의 분무특성을 거시적 및 미시적 관점에서 비교 . 분석하고자 한다.
한편, 스월 동축형 분무의 경우 액체 추진제의 분무각에 따라 동축 기체와의 상호작용이 달라질 것으로 예상되는데, 본 연구에서는 두 유사 추진제 모두 분사 직전의 속도를 사용함으로써 실험 과정에서 발생할 수 있는 어려움을 줄이고자 하였다.
특히, PDPA는 액적과 관련된 여러 정보를 동시에 제공해주는 기법으로서 측정의 정확도 및 공간분해능이 높은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 장점을 지니고 있는 PDPA를 이용하여, 인젝터의 분사조건이 액적의 크기에 어떠한 영향을 주는지 조사하였다.

제안 방법

분석하고자 한다. 전단 및 스월 동축형 인젝터의 분무특성을 서로 비교한 연구결과는 상당수 존재하지만[2], 같은 기하학적 형상 조건을 가진 두 인젝터로 실험을 수행하였고 기체/액체운동량 플럭스 비를 중요한 변수로 다루었다는 점에서[9] 본 연구의 의미를 찾을 수 있다.
액체로켓엔진에 적용되는 전단 및 스월 동축형 인젝터는 수소나 메탄을 연료로 사용하는 경우에 내부 인젝터에서 산화제(액체), 외부 인젝터에서 연료(기체)가 분사되는 형태로 작동되는데 본 연구에서도 이 방식을 그대로 적용하여 산화제 및 연료 인젝터를 배치하였다(Fig. 1). 실험에 사용된 인젝터는 기존의 연구자들이 사용했던 인젝터의 치수를 고려하예4] 설계하였고, 스월 인젝터의 design criteria를 만족하고 있는지 확인하였으몌 1], 내부 추진제의 유입방식을 제외하고는(Fig.
1). 실험에 사용된 인젝터는 기존의 연구자들이 사용했던 인젝터의 치수를 고려하예4] 설계하였고, 스월 인젝터의 design criteria를 만족하고 있는지 확인하였으몌 1], 내부 추진제의 유입방식을 제외하고는(Fig. 1) 두 인젝터가 같은 기하학적 조건을 가지도록 제작하였다. 한편, Table 1로부터 기체가 분사되는 annular gap의 크기가 임을 알 수 있는데 이는 SSME 등에서 사용되고 있는 것(0.
Oinin)보다 큰 값이다[4]. 기체의 운동량이 큰 조건에서 작은 annular gap(l.Omm)을 가지는 스월 동축형 인젝터로 실험할 때 pulsation[5] 현상이 나타났으며, 이 경우에 분무가 반경 방향으로 진동하여 실험결과를 왜곡시킬 수 있기 때문에 이를 막기 위한 방법으로써 넓은 annular gap을 사용한 것이다.
이것은 SMD(E>32)에 영향을 미치는 액체유량을 통제하면서[6] 파생된 결과이며, hollow cone의 형태로 분사되어 유량계수 값이 작은 스월 동축형 인젝터에서 압력강하의 정도가 더 커지게 된다. 한편, 연료는 상압을 고정시킨 상태에서 기체 유량 조절기를 이용하여 정확한 유량이 공급되도록 하였다. 특히, 본 연구에서는 유사추진제 사이의 상대적인 운동량을 중시하였기 때문에 연료와 산화제가 특정한 속도비(10~50)를 유지하도록 하는데 중점을 두었다.
한편, 연료는 상압을 고정시킨 상태에서 기체 유량 조절기를 이용하여 정확한 유량이 공급되도록 하였다. 특히, 본 연구에서는 유사추진제 사이의 상대적인 운동량을 중시하였기 때문에 연료와 산화제가 특정한 속도비(10~50)를 유지하도록 하는데 중점을 두었다. 운동량 플럭스비는 연료와 산화제의 (밀도비)><(속도비)2에 해당하는 물리량인데, 유사추진제의 종류를 변화시키지 않았으므로 속도비와 밀접한 관계를 가진다고 할 수 있다.
한편, 실험에 사용된 계측기법은 분무사진 및 Mechanical Patternator, PDPA 등이며 앞의 두 기법으로는 거시적 분무특성을, PDPA로는 미시적 분무특성을 각각 측정하였다. Fig.
Beam Splitter를 통과한 레이저빔은 50mm 간격을 가지는 두 개의 광으로 나누어지고, 다시 초점거리가 591인 렌즈를 지나면서 측정 체적을 형성하게 된다. 전단 동축형 분무의 분열길이를 고려하여 인젝터 면으로부터 lOOnwi 하방에서 모든 측정이 이루어졌으며, 측정 상의 오차를 줄이기 위하여 각 시행마다 15, 000개 이상의 액적을 계측하였다.
또한, 운동량 플럭스 비가 1보다 큰 조건에서는 기체의 운동량에 의한 액체의 분열이 지배적일 것으로 예상되며, 결국 이 조건 하에서 액체 자체의 특성 (Hi, 0)이 분열에 미치는 영향은 작아질 것이다. 따라서, 본 연구에서는 유사추진제간의 상호작용정도를 나타내는 변수로서 운동량 플럭스 비를, 분무 액적 크기에 영향을 주는 액체 추진제의 유량을 고려하여 레이놀즈 수를 주요 무차원 변수로 설정하고 일련의 실험을 진행하였다.
추진제의 공간적인 질량분포는 혼합효율을 결정하는 중요한 거시적 분무특성으로서 이것의 측정에는 Mechanical Patternator나 광학적 계측기법 등이 이용되고 있는데, 본 연구에서는 측정원리가 단순하면서도 질량유량을 직접 측정할 수있는 계측기법으로서 별도의 후처리과정이 필요없는 Mechanical Patternator 방법을 이용하여 액체 추진제의 공간적인 분포를 조사하였다.
분무사진과 Mechanical Patternator, PDPA 기법을 이용하여 분사조건의 변화에 따른 전단 및 스월 동축형 인젝터의 분무특성을 살펴보았으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

PDPA의 광원으로는 파장 길이가 514.5nmAr-ion laser가 사용되었다. Beam Splitter를 통과한 레이저빔은 50mm 간격을 가지는 두 개의 광으로 나누어지고, 다시 초점거리가 591인 렌즈를 지나면서 측정 체적을 형성하게 된다.

이론/모형

기체/액체 동축형 인젝터의 분무특성을 결정하는 주요변수를 알아보기 위하여 차원해석 방법을 이용하였다[7]. SMD에 영향을 미치는 변수로서 기체와 액체의 특성(Pg, Pi,) 및 분사조건(M, UQ 인젝터의 기하학적 형상) 등 8 가지를 선택하였고, 이 변수들이 3개의 차원으로 표현되므로 Buckingham pi theorem에 의하여 모두 6개의 무차원 변수를 구할 수 있다.
이용하였다[7]. SMD에 영향을 미치는 변수로서 기체와 액체의 특성(Pg, Pi,) 및 분사조건(M, UQ 인젝터의 기하학적 형상) 등 8 가지를 선택하였고, 이 변수들이 3개의 차원으로 표현되므로 Buckingham pi theorem에 의하여 모두 6개의 무차원 변수를 구할 수 있다.

성능/효과

유사 추진제의 포집은 PDPA 결과와의 관련성을 고려하여 인젝터 면으로부터 100mm 하방에서 이루어졌고, 실험결과의 유의성과 관련 있는 채집효율은 모든 분사조건에서 90% 이상으로 나타났다.
7). 또한, 인젝터 중심부와 외부에서의 SMD는 각각 레이놀즈 수와 운동량 플럭스 비의 영향을 받고 있음이 확인되었다. 한편,동축형 분사기 특히 recess가 없는 선형 인젝터의 경우는 분열된 액적의 크기가 작기 때문에 2 차 분열이 활발하지 않은 것으로 알려져 있기 때문에 본 연구에서 PDPA로 측정된 자료는 액체추진제의 1차 분열에 의한 것이 대부분이라고 판단된다.
분사조건에 따른 SMD의 변화는 두 인젝터에서 같은 경향성을 가지는 것으로 나타났지만, 스월 동축형 분무의 경우 그 변동폭이 크지 않으며 생성되는 액적의 크기도 작음을 확인할 수 있었다. 액적의 크기가 작으면 기화 시간도 짧아지기 때문에 기체 추진제와의 혼합이 좀더 균일하게 이루어지는 이점을 갖는다[2].
1) 차원해석 방법을 통하여 동축형 분무에 영향을 주는 분사조건으로 운동량 플럭스 비와 레이놀즈 수(Re)를 선정하였으며, PDPA 결과로부터 두 변수가 분무에 주는 위치가 다름을 확인할 수 있었다.
수 있었다. 즉, 스월 동축형 인젝터의 분무형상 및 산화제 질량분포는 기체 추진제의 영향력이 커지는 분사조건에서 전단 동축형 분무의 것과 유사한 형태로 나타났다.
3) 분사조건에 따른 전단 및 스월 동축형 인젝터의 분무특성은 미시적 측면에서 차이가 나타났는데, 주로 동축 기체의 운동에너지 전달에 의하여 액체 추진제가 분열되는 전단 동축형 분무에서 운동량 플럭스 비의 영향이 더 큰 것으로 측정되 었다.
2) 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 전단 및스월 동축형 분무의 거시적 특성이 유사해짐을 알 수 있었다. 즉, 스월 동축형 인젝터의 분무형상 및 산화제 질량분포는 기체 추진제의 영향력이 커지는 분사조건에서 전단 동축형 분무의 것과 유사한 형태로 나타났다.

후속연구

액적의 크기가 작으면 기화 시간도 짧아지기 때문에 기체 추진제와의 혼합이 좀더 균일하게 이루어지는 이점을 갖는다[2]. 또한, 운동량 플럭스 비가 큰 분사조건에서는 전단 및 스월 동축형 분무의 거시적 특성이 유사해지므로 결국 혼합 및 미립화의 측면에서 스월 동축형 분무가 더 유리할 것으로 예상된다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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