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문제 정의
- 본 연구에서는 소형 액체로켓엔진 인젝터의 분무거동에 대한 이해를 목적으로, 동일한 방법으로 가공된 두 개의 노즐에서 분사된 분무의 분열특성을 분사압력 (250-400 psi)과 분무액적의 진행거리(속도: 22-220 mm, 직경: 49.5-220 mm)에따라 고찰하였다. PIV 기법으로 순간평면이미지를 획득하여 분무거동에 대하여 정성적으로 예측하고, 비간섭적 방법에 의한 분사각 관련 인젝터 성능평가기법을 수립하였다.
제안 방법
- 또한 실제 인젝터 수류시험에 사용되는 치구의 설계 도면을 바탕으로 도식화한 이미지를 PIV 이미지에 중첩시켜 인젝터 분무 거동에 대한 합격-불합격 여부를 비간섭적인 (non-intrusive) 방법으로 판단한다. DPDA로 액적의 속도와 크기를 측정하고, 평균속도, 난류강도(Turbulent Intensity, TI(%)), SMD, 그리고 액적수밀도(concentration) 등에 대한 변이를 정량화하고, 인젝터의 미립화 성능을 관찰한다.
- 5-220 mm)에따라 고찰하였다. PIV 기법으로 순간평면이미지를 획득하여 분무거동에 대하여 정성적으로 예측하고, 비간섭적 방법에 의한 분사각 관련 인젝터 성능평가기법을 수립하였다. 또, DPDA 측정법을 통해 액적의 속도, 직경, 수밀도를 측정하여 평균속도, 난류강도, SMD, 그리고 액적수밀도 등에 대한 변이를 정량화하고, 인젝터의 미립화 성능을 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한 고압(400 psi)에서 #2 분무는 #1 분무보다 분무각(spray spreading angle)과 주분류의 두께가 크고, 주분류 주변의 미세액적의 수가 많다는 사실이 관찰된다. PIV와 DPDA로 측정한 속도 비교를 통하여 실험의 정확도를 높이고자 하였으나, 입자들의 불규칙한 크기 및 형상과 높은 수밀도로 인해 PIV를 통한 속도측정이 불가하여, PIV 이미지는 인젝터 분무의 개략적인 패턴을 예측/고찰하는데 활용키로 한다.
- PIV 기법으로 순간평면이미지를 획득하여 분무거동에 대하여 정성적으로 예측하고, 비간섭적 방법에 의한 분사각 관련 인젝터 성능평가기법을 수립하였다. 또, DPDA 측정법을 통해 액적의 속도, 직경, 수밀도를 측정하여 평균속도, 난류강도, SMD, 그리고 액적수밀도 등에 대한 변이를 정량화하고, 인젝터의 미립화 성능을 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 PIV 기법으로 획득한 순간이미지를 통해 인젝터 분무의 연료분사압력에 따른 분무 거동을 정성적으로 예측한다. 또한 실제 인젝터 수류시험에 사용되는 치구의 설계 도면을 바탕으로 도식화한 이미지를 PIV 이미지에 중첩시켜 인젝터 분무 거동에 대한 합격-불합격 여부를 비간섭적인 (non-intrusive) 방법으로 판단한다.
- 분무액적 직경 측정에 대한 신뢰도를 95% 이상으로 높이기 위해서는 5, 500개 이상의 데이터를 수집해야 하므로[10] 각 측정지점마다 10, 000 개씩, 인젝터 출구면으로부터 축 방향으로 220 mm 하류까지 5.5 mm 간격으로 액적의 속도와 크기를 측정했으며 Fig. 2에 그 측정위치를 도시하였다.
- 9에 간략하게 도시하였다. 수정된 개략도에서는 직경 측정이 부정확하다고 판단되었던 44 mm 까지를 1차, 그 이후를 2차 분열영역으로 구별하였다. 분무의 주류(spray core)를 따라서 흘림현상이 관찰되며 속도는 액적의 진행 거리에 비례하여 감소하고, 액적수밀도는 일정하게 감소하다가 약 150 mm 이후 감소율이 둔해진다.
- 인젝터 분무의 미립화 특성에 관한 정량적인 고찰을 위해 #1과 #2 노즐에서 분사된 액적의 속도 및 직경을 PIV 측정에서와 동일한 압력 조건(250-400 psi)에서 DPDA 계측을 수행하였다.
- 미립화 특성에 대해 연구하였다. 추력의 감소로 인한 미립화 양식(regime) 변화를 확인하였고, 무차원수 비교를 통한 1차(primary) 미립화특성 및 인젝터 성능 평가를 하였다. 1차 미립화단계에서는 화학반응에 의한 영향을 거의 받지않으므로 실제 연료가 아닌 물과 질소가스(GN, 를 모사 유체(simulant)로 사용하였다.
대상 데이터
- 추력의 감소로 인한 미립화 양식(regime) 변화를 확인하였고, 무차원수 비교를 통한 1차(primary) 미립화특성 및 인젝터 성능 평가를 하였다. 1차 미립화단계에서는 화학반응에 의한 영향을 거의 받지않으므로 실제 연료가 아닌 물과 질소가스(GN, 를 모사 유체(simulant)로 사용하였다.
- PIV, DPDA, 분무발생장치 (Injector Spray Generation System, ISGS) 등으로 구성되는 실험장치를 Fig. 1에 보이고 있다. (ISGS는 간략하게 인젝터로 도시한다).
- 3에 보이고 있다. 본 실험에 사용된 인젝터(오리피스 타입)는 실제 5 Newton 급 추력기에 장착되는 것으로, 실제 도면을 근거로 제작되었다. 직경 16/1000 인치를 갖는 8개 인젝터 노즐은 중심축과 30° 엇각(cant angle)을이루고 있으며 실험시 편의를 위해 Fig.
- 실제 LRE에 사용되는 연료인 하이드라진(N2H4)은 독성, 폭발성 등의 위험요소로 인해 실험실 단위연구에서 취급하기에 많은 제약이 따르기 때문에 선행 연구자들[5, 6]과 같이 실제 연료를 사용하는 대신에 모사액체를 사용한다. 본 실험에서는 N2H4와 물성치가 매우 유사하고, 고압 실험 환경에서의 정전기에 의한 미립화 액적의 이상 거동을 방지하기 위하여 이온이 제거된 물 (Deionized Water, DIW) 을 작동유체 (working fluid)로 사용한다. DIW(H2)와 N2H4의 표준상태에서의 물성치를 Table 1에 각각 나타낸다.
이론/모형
- 거동을 정성적으로 예측한다. 또한 실제 인젝터 수류시험에 사용되는 치구의 설계 도면을 바탕으로 도식화한 이미지를 PIV 이미지에 중첩시켜 인젝터 분무 거동에 대한 합격-불합격 여부를 비간섭적인 (non-intrusive) 방법으로 판단한다. DPDA로 액적의 속도와 크기를 측정하고, 평균속도, 난류강도(Turbulent Intensity, TI(%)), SMD, 그리고 액적수밀도(concentration) 등에 대한 변이를 정량화하고, 인젝터의 미립화 성능을 관찰한다.
성능/효과
- (2) 분사압력과 분무액적의 초기속도는 비례하지만, 액적이 하류로 진행하면서 분사압력에 종속하는 속도가 역전되는 현상이 나타난다.
- (3) 공기역학적, 수력학적인 미립화가 포화 상태에 다다르는데 걸리는 시간은 분사압력이 높을수록 짧아진다.
- 이상의 결과를 종합해보면 #1과 #2 노즐 모두 PIV 기법으로 획득한 순간이미지에서 유동의 주기적 흘림현상이 관찰되며, DPDA로 측정한 데이터에서 #1 노즐의 분무 진행거리에 따른 속도및 액경의 불규칙한 결과는 비구형의 큰 액적덩어리(liquid ligament)로 인한 DPDA의 측정오류로 판단된다. 또, 전술한 바와 같이 #2 노즐은 약 150 mm 이후에서 공기역학적 미립화(액주나 액막의 표면에 주위 기체에 의해 불안정한섭동이 발생하여 액체가 분열하는 현상)와 수력학적 미립화(액주나 액막 내부의 유동의 변화, 즉 속도, 난류 등의 변화에 의한 미립화)에 대한 분무특성 매개변수(속도, 입경, 난류강도, 액적수밀도 등)가 포화상태에 이르게 된다.
- 각각의 분류를 포함하는 이미지영역 (half widthXheight)은 19><33 mm2 이다. 인젝터 수류시험 평가용 치구를 도식화한 이미지 (둔각삼각형)를 중첩시켜 확인한 결과, #1과 #2 노즐 모두 모든 압력에서 인젝터 중심축과 이루는 분사각(injection angle)이 합격범위에 있음을 확인할 수 있었다. 노즐로부터 분사되는 분류에서는 유동의 주기적 흘림 현상(shedding)이 관찰되나, 순간이미지만으로는 흘림 현상의 주기성에 대한 정량화가 일반적으로 불가능하며 초고속카메라를 이용한 추가적인 연구가 요구된다.
- 주목할만한 사실은 본 실험에 사용된 인젝터의 #1과 #2 노즐이 동일한 가공법(EDM)으로 제작되었음에도 불구하고 미세한 가공오차로 인하여 두 노즐간의 분무 분열특성이 서로 다르게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다: #1 노즐은 #2 노즐과 압력에 따른 거시적 경향성은 비슷하게 나타나지만, 분무 액적의 이동거리에 따른 특성은 섭동 성분에 크게 지배되는 것으로 보인다. 따라서 정밀한 연료/산화제의 분무 분사와 미립화를 요구하는 인젝터의 경우(예컨대, 소형 이원추진제 액체엔진의 충돌형 인젝터), EDM에 의한 인젝터의 미세한 노즐 가공이 분무 미립화와 균일성 측면에서 비효율적인 가공법이 될 수도 있음을 시사한다.
후속연구
- 인젝터 수류시험 평가용 치구를 도식화한 이미지 (둔각삼각형)를 중첩시켜 확인한 결과, #1과 #2 노즐 모두 모든 압력에서 인젝터 중심축과 이루는 분사각(injection angle)이 합격범위에 있음을 확인할 수 있었다. 노즐로부터 분사되는 분류에서는 유동의 주기적 흘림 현상(shedding)이 관찰되나, 순간이미지만으로는 흘림 현상의 주기성에 대한 정량화가 일반적으로 불가능하며 초고속카메라를 이용한 추가적인 연구가 요구된다.
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