[논문]비동질 3중 충돌형 인젝터의 기체-액체 라인 선택에 따른 분무특성

이인철; 이창진; 구자예

문제 정의

과거의 연구는 연소 불안정 현상이 미립화 과정과 관련이 있음을 알고서 그 분열과정에 대해 연구하였다. Taylor®는 액체 제트가 충돌하여 형성되는 액막의 모양과 두께를 이론적으로 계산 했으며, Dombrowski와 Hooper®는 분사압력에 따른 We수에 의해 액막 내에서의 충돌력으로 교란의 진폭이 증가하고 표면 장력과 관성력의 균형이 깨질 때 이 액막이 끊어져 액적을 형성하게 된다는 결과를 실험적으로 밝혀내었다.
권순탁 등的은 충돌 인젝터에서 충돌각, 충돌 거리, 운동량비에 따른 혼합효율을 계산하여 최적의 충돌형 인젝터를 제시하였다. 본 논문의 연구목적은 기존의 연구와 더불어 3중 충돌형 인젝터에 대한 거시적인 최적의 분무특성을 연구하여 여러 엔진 시스템에서 효율적으로 사용하기 위함이다.

제안 방법

각각의 시험관끼리의 중심거리는 20 mm이다. 분무를 단속하기 위해서 50 MPa까지 견디는 솔레노이드 밸브를 인젝터의 바로 위쪽에 설치했으며 질량분포의 높이별 측정을 위해서 채집격자의 위치를 조절할 수 있는 수동 유압 리프터를 사용하여 조절하였다. 실험에 사용된 3중 충돌형 인젝터의 충돌각은 30°, 60。이며 기체 =0.
설계변수가 다른 인젝터들을 사용하여 액체와 기체공급 라인을 변경시키면서 충돌형 인젝터의 분무 특성을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1과 같다. 쉐도우촬영법(shadowgraphy)을 이용하여 얻은 이미지로 중돌 각 변화에 따른 분무형상, 분무각 등을 분석하였으며, 산화제와 추진제 대신에 물과 공기를 이용하였다. 액체의 경우에는 고압용기에 물을 넣고 질소를 가압하는 가압방식을 사용하였다.
분무를 단속하기 위해서 50 MPa까지 견디는 솔레노이드 밸브를 인젝터의 바로 위쪽에 설치했으며 질량분포의 높이별 측정을 위해서 채집격자의 위치를 조절할 수 있는 수동 유압 리프터를 사용하여 조절하였다. 실험에 사용된 3중 충돌형 인젝터의 충돌각은 30°, 60。이며 기체 =0.5 MPa, 액체=1.0 MPa, 2.0 MPa의 분사압력으로 인해 충돌로부터 발생하는 분무 질 량을 측정 하기 위해 40 mm씩 리프터를 변화시켜 질량분포 특성을 실험하였다. 본 실험을 위한 장치는 Fig.

대상 데이터

질량분포측정은 충돌방향인 Y축에서 A, KI, B 선상과 충돌 수직 방향인 X축에서 C, K2, D 선상에서 수행되었다. X축 방향에서는 K1 을 중심으로 하였고, Y축 방향에서는 K2 를 중심으로 하였다.
액체의 경우에는 고압용기에 물을 넣고 질소를 가압하는 가압방식을 사용하였다. 채집격자(mechanical pat- ternator)는 총 750개의 시험관 셀로 구성되어 있으며 이 실험 장치로 질량분포를 측정하였다. 한 셀은 16 mm의 직경이며 높이는 125 mm이다.
채집격자(mechanical pat- ternator)는 총 750개의 시험관 셀로 구성되어 있으며 이 실험 장치로 질량분포를 측정하였다. 한 셀은 16 mm의 직경이며 높이는 125 mm이다. 각각의 시험관끼리의 중심거리는 20 mm이다.

데이터처리

Heidmann(6)은 노즐 직경, 액체 제트 속도, 충돌각, 충돌거리 등의 효과가 충돌시 어떠한 특성을 나타내는가에 대해 연구했으며, 제트 속도와 충돌 각이 임계 변수임을 보고했다. 임병직 등。)은 PLLIF기법을 이용하여 충돌 인젝터의 혼합성능을 비교하였다. 권순탁 등的은 충돌 인젝터에서 충돌각, 충돌 거리, 운동량비에 따른 혼합효율을 계산하여 최적의 충돌형 인젝터를 제시하였다.

이론/모형

Taylor®는 액체 제트가 충돌하여 형성되는 액막의 모양과 두께를 이론적으로 계산 했으며, Dombrowski와 Hooper®는 분사압력에 따른 We수에 의해 액막 내에서의 충돌력으로 교란의 진폭이 증가하고 표면 장력과 관성력의 균형이 깨질 때 이 액막이 끊어져 액적을 형성하게 된다는 결과를 실험적으로 밝혀내었다. Luigi와 Michela。)는 액막 분열에 대한 Kelvin-Helmholtz 불안정모델을 기본으로 이론적인 연구를 진행했다. 최근의 연구 경향은 기존의 연구를 바탕으로 한 인젝터에 대한미립화 및 혼합 분무 특성이 며, 1976년대부터는 안정된 인젝터의 분사성능을 유지하기 위해 다양한 충돌형 인젝터가 실험되었다。).
이론적인 분사구 직경계산은 인젝터 양면의 압력강하와 京를 이용한 식을 사용하였다(1)).

성능/효과

1) 충돌각은 분무각에 비례하며 G-L-G형의 일정한 기체 압력 조건에서 액체 압력을 높이면 분무각이 감소한다. G-L-G형에서 기체의 압력을 높이면 액체의 분열을 촉진하는 충돌 운동량의 증가로 액체가 더욱 미립 화 된다.
2) L-G-L형에서는 액체의 분사압력이 높을수록 기체와의 충돌 운동량 증가로 분무형상은 미립화 되지만 미립 화 정도는 미약하다. 일정한 기체 압력 조건에서 충돌 각 60。일 때 분사각도 증가하였다.
3) 충돌형 인젝터의 분무는 대부분이 충돌점을 중심으로 집중되어 있기 때문에 이러한 집중현상은 공기와의 혼합특성을 감소시켜 연소효율을 저하시킬 수 있다. 즉 충돌각, 충돌거리, 분사압력 등의 조절을 통하여 최적의 미립화 특성을 만들 수 있으며 가장 효율적인 방법은 충돌각을 조절하는 것이다.
4) 충돌압에 따른 질량분포 면적은 충돌방향인 Y축 방향보다는 X축 방향으로의 더 넓게 나타났다. 위에서 본 채집격자에 채집된 전체적 분무 형상은 타원형으로 볼 수 있으며 측정위치가 노즐 출구에 가까이 갈수록 중심에 질량분포 비율이 증가하는 현상을 보였다.
연구하였다. Taylor®는 액체 제트가 충돌하여 형성되는 액막의 모양과 두께를 이론적으로 계산 했으며, Dombrowski와 Hooper®는 분사압력에 따른 We수에 의해 액막 내에서의 충돌력으로 교란의 진폭이 증가하고 표면 장력과 관성력의 균형이 깨질 때 이 액막이 끊어져 액적을 형성하게 된다는 결과를 실험적으로 밝혀내었다. Luigi와 Michela。)는 액막 분열에 대한 Kelvin-Helmholtz 불안정모델을 기본으로 이론적인 연구를 진행했다.
위에서 본 채집격자에 채집된 전체적 분무 형상은 타원형으로 볼 수 있으며 측정위치가 노즐 출구에 가까이 갈수록 중심에 질량분포 비율이 증가하는 현상을 보였다.
9는 개략적인 그림으로서 채집격자 중심에서 끝부분까지 위치별 간격, 질량분포도를 나타낸 것이다. 채집격자의 전체 분무 채집율은 82%이고 이 채집된 질량에서 18%를 제외한 양을 채집된 총 질량 유량으로 계산했다. 질량 분포율에 대한 계산 방법은 다음과 같다.

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