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문제 정의
- 실험의 공기속도는 변위 없이 60 m/sec로 고정을 시키고, 연료(물+에탄올)의 분사차압을 1~5 bar 즉, 액체/기체 모멘텀 플럭스 비 q의 값을 21~105로 변화시키면서 분사제트의 액주영역과 액적영역의 분무특성에 대하여 연구하였다. 실험은 축방향으로 레이저를 조사한 평면 레이저 유도 형광기법과, 액주 영역의 확대 촬영으로 궤적에 대해서 연구하였다. 또한 PLLIF의 산란신호는 액적에 비례하여 산란하기 때문에 이를 통하여 액주영역과 액적 영역의 분열지점의 위치를 재차 확인하였다.
- 그리고 캐비테이션이나 수력 튀김 현상이 발생한 경우 유효 지름이나 유효 속도를 고려하여야 함을 제안하였다. 이에 본 연구에서는 내부유동이 정상인 분사기군에서 액주와 액적영역의 궤적의 연구를 위하여 고 정밀도의 직접사진촬영기법과 평면레이저유도형광기법을 통해 서로의 결과를 비교하고, 다양한 분사각도 분무에서 액주영역에서의 궤적과 대향분사시의 궤적 및 분무 특성에 대하여 논의하였다.
제안 방법
- 평면 레이저유도형광 기법을 통하여 얻은 형광신호와 산란 신호를 DSLR 카메라로 측정하였다. Canon EOS 20D에 28-105mm 표준 렌즈를 장착하고 이미지의 확대를 위하여 vivitar의 2x 확대 렌즈를 장착하여 이미지를 크게 확대하였다. 그리고 양쪽의 카메라 각각에 550nm 하이패스 필터와 514±5nm 밴드패스 필터를 장착하여 형광신호와 산란신호를 얻었다.
- Fig. 1은 본 연구에서 사용된 분사기이며, 분사각도에 의한 분무특성을 확인하기 위하여 30°, 60°, 90°, 120°, 150°등 다양한 오리피스를 제작하여 실험을 진행하였다.
- 공기의 속도를 균일화하기 위하여 파이프 내에는 벌집구조를 넣어 조립하였다. 가동 시간은 무한히 가능하나, 오랜 시간 가동을 지속하는 경우 공기의 온도가 상승하는 단점이 있기 때문에 15~20분을 가동한 후 10분을 휴지 후 실험을 반복하였다. 평면 레이저 유도형광 실험을 수행하기 위해서는 형광신호와 산란신호를 측정해야 하는데, 이를 위해 본 실험에서는 LEXEL의 아르곤-이온 레이저를 사용하였으며, 아르곤-이온 레이저에서 주사된 빔은 Dantec의 Fiber-optics를 사용하여 평면광으로 전환하였다.
- 또한 이를 blockage orifice와 레이저 속도 측정 기법인 PIV 기법을 통하여 정확한 속도를 측정하여 고정하였다. 공기의 속도를 균일화하기 위하여 파이프 내에는 벌집구조를 넣어 조립하였다. 가동 시간은 무한히 가능하나, 오랜 시간 가동을 지속하는 경우 공기의 온도가 상승하는 단점이 있기 때문에 15~20분을 가동한 후 10분을 휴지 후 실험을 반복하였다.
- 그리고 양쪽의 카메라 각각에 550nm 하이패스 필터와 514±5nm 밴드패스 필터를 장착하여 형광신호와 산란신호를 얻었다.
- Tamaki 등[9]은 분사기 내부유동 현상이 분열 및 분무 특성에 큰 영향을 주는 것으로 보고하였으며, Ahn 등[10]은 실제로 분사기 내부에 교란이 발생하게 되었을 때 액주영역 궤적과 액주 분열거리에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 그리고 캐비테이션이나 수력 튀김 현상이 발생한 경우 유효 지름이나 유효 속도를 고려하여야 함을 제안하였다. 이에 본 연구에서는 내부유동이 정상인 분사기군에서 액주와 액적영역의 궤적의 연구를 위하여 고 정밀도의 직접사진촬영기법과 평면레이저유도형광기법을 통해 서로의 결과를 비교하고, 다양한 분사각도 분무에서 액주영역에서의 궤적과 대향분사시의 궤적 및 분무 특성에 대하여 논의하였다.
- 내부유동의 특성 즉, 캐비테이션이나 수력튀김의 현상이 발생하지 않는 정상유동의 분사기군에서 분사각도의 변위를 가지는 인젝터를 제작하여 노즐 출구의 면을 기준으로 30°, 60°, 90°, 120°, 150°의 각도를 가진 수직분사제트의 분무 특성에 대한 연구를 하였다.
- 실험은 축방향으로 레이저를 조사한 평면 레이저 유도 형광기법과, 액주 영역의 확대 촬영으로 궤적에 대해서 연구하였다. 또한 PLLIF의 산란신호는 액적에 비례하여 산란하기 때문에 이를 통하여 액주영역과 액적 영역의 분열지점의 위치를 재차 확인하였다. Fig.
- 축방향 실험의 최대 침투 높이의 결과를 사각형 기호로, 최대 질유량 높이의 결과를 원형기호로 표시하였다. 또한 반경방향의 결과를 각각 실선과 dot점선으로 표현하였다. 최대 침투높이에 대한 액적영역의 궤적식을 비교하여 보면 Eq.
- 그리고 양쪽의 카메라 각각에 550nm 하이패스 필터와 514±5nm 밴드패스 필터를 장착하여 형광신호와 산란신호를 얻었다. 또한 분사 제트를 고 확대비의 직접사진촬영기법으로 고 정밀의 촬영이 가능한 Canon EF 100mm f/2.8 Macro USM 렌즈를 사용하여 액주영역의 궤적을 촬영하였고, 고확대비의 촬영이 가능한 Canon MP-E 65mm f/2.8 1-5x Macro Photo 접사렌즈를 이용하여 분열지점에 대한 이미지를 촬영하였다. 사진은 디지털 카메라(Canon EOS 20D)와 광원인 스트로보스코프를 동기화하여 촬영하였고, 확대비는 pixel당 약 2~10μm 정도이다.
- 액체/ 기체 모멘텀 플럭스 비를 변화시키기 위해서 공기의 속도는 일정하게 유지하고 분사압력 차이를 1bar에서 5bar까지 변화시키며 실험하였다. 분무의 분포 및 액주와 액적영역의 궤적을 측정하기 위해 레이저를 반경방향으로 주사하고, 수직방향으로 주사하여 2가지 방법의 평면레이저유도형광(PLLIF) 실험을 수행하였다. 실험연료는 물과 에탄올을 혼합한 용액을 사용하였다.
- 이 연료는 온도 조절이 가능하도록 제작된 실린더에 채워서 실험을 수행하였다. 실린더는 온도 센서를 부착 하였고, 이 센서에 의해 측정되는 온도를 기준으로 PID 조절기로 원하는 온도로 가열할 수 있도록 설계되었다. 실린더에 걸리는 압력은 레귤레이터에 의해 조절되었다.
- 내부유동의 특성 즉, 캐비테이션이나 수력튀김의 현상이 발생하지 않는 정상유동의 분사기군에서 분사각도의 변위를 가지는 인젝터를 제작하여 노즐 출구의 면을 기준으로 30°, 60°, 90°, 120°, 150°의 각도를 가진 수직분사제트의 분무 특성에 대한 연구를 하였다. 실험의 공기속도는 변위 없이 60 m/sec로 고정을 시키고, 연료(물+에탄올)의 분사차압을 1~5 bar 즉, 액체/기체 모멘텀 플럭스 비 q의 값을 21~105로 변화시키면서 분사제트의 액주영역과 액적영역의 분무특성에 대하여 연구하였다. 실험은 축방향으로 레이저를 조사한 평면 레이저 유도 형광기법과, 액주 영역의 확대 촬영으로 궤적에 대해서 연구하였다.
- 공기의 유속은 60m/s로 일정하게 유지하였고, 공기의 온도는 300K이다. 액체/ 기체 모멘텀 플럭스 비를 변화시키기 위해서 공기의 속도는 일정하게 유지하고 분사압력 차이를 1bar에서 5bar까지 변화시키며 실험하였다. 분무의 분포 및 액주와 액적영역의 궤적을 측정하기 위해 레이저를 반경방향으로 주사하고, 수직방향으로 주사하여 2가지 방법의 평면레이저유도형광(PLLIF) 실험을 수행하였다.
- 챔버의 지름(D)은 12mm로 D/d = 24이다. 여기서 오리피스 길이(L) 대 지름 비(L/d)에 의해 분사기 내부유동의 종류가 결정이 되는데, 본 연구에서는 캐비테이션이나 수력튀김 현상과 같은 분사기 내부유동에 대한 영향을 고려하지 않았으므로 곡률은 유입구의 반경(R)과 오리피스의 지름이 같은 R/d = 1로 하였다. Fig.
- 1, 2와 같이 진행방향의 거리(x) 및 최대 침투거리와 최대 질유량의 높이에 따라 정의하였다. 이에 본 연구에서 정상 유동 분사기의 결과에 대하여 Wu등이 제안한 궤적식과 비교하여 보았다.
- 4와 같이 획득하였다. 좌표축에 대하여 spray plume분무의 이미지는 강도의 총합에 대하여 90%의 강도의 합에 대한 영역을 기준으로 삼고 그 영역에 대하여 이미지의 가장 높은 위치, 즉 최대 침투거리(yt)와 이미지에서 가장 밝은 강도를 보이고 있는 최대질유량이 지나가고 있는 위치(ym)에서의 궤적을 분석하였다. 1998년 Wu 등은[13] 정상유동의 액적영역에 대해서 궤적을 Eq.
- 가동 시간은 무한히 가능하나, 오랜 시간 가동을 지속하는 경우 공기의 온도가 상승하는 단점이 있기 때문에 15~20분을 가동한 후 10분을 휴지 후 실험을 반복하였다. 평면 레이저 유도형광 실험을 수행하기 위해서는 형광신호와 산란신호를 측정해야 하는데, 이를 위해 본 실험에서는 LEXEL의 아르곤-이온 레이저를 사용하였으며, 아르곤-이온 레이저에서 주사된 빔은 Dantec의 Fiber-optics를 사용하여 평면광으로 전환하였다. 평면 레이저유도형광 기법을 통하여 얻은 형광신호와 산란 신호를 DSLR 카메라로 측정하였다.
- 평면 레이저 유도형광 실험을 수행하기 위해서는 형광신호와 산란신호를 측정해야 하는데, 이를 위해 본 실험에서는 LEXEL의 아르곤-이온 레이저를 사용하였으며, 아르곤-이온 레이저에서 주사된 빔은 Dantec의 Fiber-optics를 사용하여 평면광으로 전환하였다. 평면 레이저유도형광 기법을 통하여 얻은 형광신호와 산란 신호를 DSLR 카메라로 측정하였다. Canon EOS 20D에 28-105mm 표준 렌즈를 장착하고 이미지의 확대를 위하여 vivitar의 2x 확대 렌즈를 장착하여 이미지를 크게 확대하였다.
- 실험연료는 물과 에탄올을 혼합한 용액을 사용하였다. 평면레이저 유도형광 실험의 경우 형광신호를 확보하게 되는데, 물이 실험연료인 경우 형광을 발하지 않기 때문에 물에 염료를 혼합하기 위해서 물과 에탄올을 4대 1로 혼합하여 실험을 수행하였다. 평면 레이저 유도형광 실험을 위한 염료로는 Aldrich F245-6을 사용하였다.
대상 데이터
- 사진은 디지털 카메라(Canon EOS 20D)와 광원인 스트로보스코프를 동기화하여 촬영하였고, 확대비는 pixel당 약 2~10μm 정도이다.
- 실린더에 걸리는 압력은 레귤레이터에 의해 조절되었다. 실험 장치는 크게 공기를 풍동에 공급하는 공기유입 시스템과 평면레이저유도형광 실험을 수행하기 위한 레이저 평면광 시스템, 그리고 직접사진촬영 기법을 위한카메라 시스템으로 구성되어 있다. 시험부에 60m/s의 유량을 일정하게 공급할 수 있도록 20마력의 송풍기를 사용하였다.
- 분무의 분포 및 액주와 액적영역의 궤적을 측정하기 위해 레이저를 반경방향으로 주사하고, 수직방향으로 주사하여 2가지 방법의 평면레이저유도형광(PLLIF) 실험을 수행하였다. 실험연료는 물과 에탄올을 혼합한 용액을 사용하였다. 평면레이저 유도형광 실험의 경우 형광신호를 확보하게 되는데, 물이 실험연료인 경우 형광을 발하지 않기 때문에 물에 염료를 혼합하기 위해서 물과 에탄올을 4대 1로 혼합하여 실험을 수행하였다.
- 평면레이저 유도형광 실험의 경우 형광신호를 확보하게 되는데, 물이 실험연료인 경우 형광을 발하지 않기 때문에 물에 염료를 혼합하기 위해서 물과 에탄올을 4대 1로 혼합하여 실험을 수행하였다. 평면 레이저 유도형광 실험을 위한 염료로는 Aldrich F245-6을 사용하였다. 이 연료는 온도 조절이 가능하도록 제작된 실린더에 채워서 실험을 수행하였다.
이론/모형
- Oda 등[8]은 액적의 질량 플럭스와 크기를 표본 추출 프로브와 빛 산란 방법(light scattering method)을 이용하여 연구하였다. 그리고 분열 모델을 선형 파동 분석(linear wave analysis)을 이용하여 구성하였다. Tamaki 등[9]은 분사기 내부유동 현상이 분열 및 분무 특성에 큰 영향을 주는 것으로 보고하였으며, Ahn 등[10]은 실제로 분사기 내부에 교란이 발생하게 되었을 때 액주영역 궤적과 액주 분열거리에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
- 시험부에 60m/s의 유량을 일정하게 공급할 수 있도록 20마력의 송풍기를 사용하였다. 또한 이를 blockage orifice와 레이저 속도 측정 기법인 PIV 기법을 통하여 정확한 속도를 측정하여 고정하였다. 공기의 속도를 균일화하기 위하여 파이프 내에는 벌집구조를 넣어 조립하였다.
성능/효과
- (1) 실험을 통하여 액주영역의 궤적은 연료분사 속도, 공기의 속도, x축, y축 방향 대 분사기출구 지름비(x/d, y/d)와 분사각도(θ)의 함수임을 확인하였다.
- (2) 평면레이저유도형광실험으로 얻은 액주영역과 액적영역의 궤적 결과는 이전 연구결과와 상당히 유사함을 확인하였으며, 실험유체 및 조건에 따라 영향을 받음을 확인하였다.
- (3) 분사각도에 의한 액주영역의 궤적 실험식을 도출하였으며, 일반적인 공기유동 방향과 일치하는 정방향에 대한 액주궤적 실험식과 공기 유동 방향과 반대방향으로 분사되는 대향분사액주궤적 실험식과는 항력계수라는 상수의 값이 차이가 있고, 경험식과 각 분사각도에서의 실험값은 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
- 이는 본 실험의 q의 조건과 연료의 종류가 Wu 등의 실험과 유사하여 계수의 값이 유사함을 생각해 볼 수 있다. 또한 각각 실험 환경의 오차, 분사기 가공의 오차, 분사기 passage length의 오차, 액주의 굵기의 차이에 의해서 항력계수 값의 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 본 실험에서의 액주영역 Re값이 5000≤Refd≤15000으로 매끈한 원형 실린더에서 대략적인 항력계수 값이 1~1.
- 이는 분사기의 가공오차와 유량의 오차로 인한 상수 값의 차이로 생각할 수 있다. 또한 최대 질유량의 높이에 따른 액적영역의 궤적은 다소 차이가 있음을 확인할 수 있는데, 이는 축방향의 레이저 조사에 따른 레이저의 강도 감쇠 및 spray plume에 비해 비교적 좁은 영역을 촬영, 이미지의 후처리 과정에서 threshold값의 오차인 것으로 생각한다. 축방향 PLLIF 측정방법에 따른 각각의 높이에 대하여 Eq.
- 9 (c)는 90°의 분사각도를 가진 분사기군에서 측정한 실험값과 이전 연구결과의 비교 그래프이다. 마찬가지로 각각 실험의 항력계수 차이로 Wu와 Fuller, 현재의 연구가 다소 차이를 보이고 있고, 본 실험은 Wu의 항력계수와 비슷하기 때문에 실험 결과들의 분포도 역시 거의 비슷한 값을 가지게 되는 것을 확인할 수 있다. 추후 90°이전의 일반분사의 경우에서 45°, 75°의 분사에 따른 실험값을 추가하여 도출된 실험식의 검증을 시행할 예정이다.
- 본 실험 결과는 30°, 60°, 90°의 실험으로 모든 실험영역에서 5.7% 오차 안으로 들어오는 항력계수의 CD값을 1.3으로 얻을 수 있었다.
- 7로 결정하였다. 본 실험으로부터 결과는 Fuller가 제안한 항력계수의 값보다 Wu 등의 실험과 어느 정도 일치하는 결과를 보이고 있다. 이는 본 실험의 q의 조건과 연료의 종류가 Wu 등의 실험과 유사하여 계수의 값이 유사함을 생각해 볼 수 있다.
- 이와 같이 90°이전의 각도에서나 대향분사의 분무에서 q값이 증가할 수 록 분사 되는 제트의 속도가 증가하게 되므로 횡단류의 공기 유동장으로의 침투거리가 커지게 됨을 확인할 수 있었다.
- 5는 Wu의 연구와 같은 90°분무에서의 실험식을 비교한 그래프이다. 축방향 PLLIF 실험의 결과로 얻은 궤적을 비교해보면 Wu등의 실험 조건은 q=5.8~58 인데, q가 21, 44인 실험결과는 상당히 일치함을 확인할 수 있었다. 반면 실험 조건에 부합하지 않는 q=65이상에서는 잘맞지 않는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 대향분사의 실험식의 경우 항력계수가 0.2일 때 120°와 150°분사기의 실험값과 잘 맞는 것을 확인할 수 있으며, 향후 동일한 조건에서 105°, 135°등의 실험을 추가로 대향분사의 실험식을 검증할 예정이다.
- 추후 90°이전의 일반분사의 경우에서 45°, 75°의 분사에 따른 실험값을 추가하여 도출된 실험식의 검증을 시행할 예정이다.
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