[논문]오리피스형 분사노즐에서 작동유체의 온도변화에 따른 K-factor에 관한 연구

배강열; 정희택; 김찬희; 김형범

오리피스형 분사노즐에서 작동유체의 온도변화에 따른 K-factor에 관한 연구
Study on K-factor for temperature variation of working fluid in spray nozzle with orifice 원문보기

In the present study, the numerical simulation has been performed to investigate K-factor for temperature variation of working fluid in spray nozzle with orifice. The commercial CFD software, Fluent with the proper modeling was applied for analyzing the internal of the spray nozzle. Numerical result for K-factor at $20^{\circ}C$ agrees with the experimental result that it applied n=0.5 within about 7% error. The pressure drop inside nozzle is showed 20% passing swirler, 70% in the region between the outlet of swirler and the orifice and 10% at the outlet of orifice. As the operating pressure is increased, K-factor is decreased by effect of flow resistance at it's inlet before pass swirler. The temperature increase of working fluid reduced the flow rate according to reducing of density, and average 1.23% decrease is showed in the present research.

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문제 정의

본 연구에서는 오리피스형 분사노즐에서 작동 유체의 온도 및 압력변화에 따른 K-factor의 변화에 대하여 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 작동온도20℃에서 K-factor는 0.
이러한 분사노즐은 대부분 오리피스형태의 끝단 부분을 가지고 있으며, 작동유체의 온도가 최종적으로 형성되는 미분무수의 특성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다9)이에 본 연구에서는 노즐설계 시에 중요한 인자인 K-factor를 작동유체의 온도변화에 대해서 연구를 진행하고, 차후에 이 결과를 바탕으로 미분무수의 특성변화에 대해서도 연구를 진행하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서 최종적으로 도출하고자 하는 값은 작동 유체의 압력과 온도에 따른 노즐 출구단에서의 유량을 도줄하는 것이기 때문에 3차원 정상상태를 가정하였다. 노즐내부는 정해진 온도의 유체가 계속적으로 공급되어 정상상태에 도달하게 되면 노즐의 출구 부분에서만 대기와의 열전달이 발생하기 때문에 에너지방정식은 고려하지 않았고 Table 1에 제시된 온도에 따른 작동유체의 밀도와 점성계수를 직접적으로 부과하였다.

대상 데이터

계산격자는 Fig. 3과 같이 비정렬 격자를 약 30만 개로 구성하였으며, 본 연구를 위한 노즐의 해석변수는 작동압력과 작동유체의 온도이며 Table 1에 나타내었다.
본 연구는 제시된 세 영역 중 첫 번째 영역인 문무 노즐에 중점을 두었으며, 적용대상은 Pressure -swirl 노즐로 스월러 (Swirler)가 내장된 스월러 분사형이다. Fig.

이론/모형

지배방정식은 2 eq. k-£ RNG 난류 모델로서 아래와 같고 압력보간방법으로는 SIMPLE 알고리즘이 사용되었으며, 해석은 범용 열유동 해석 코드인 FLUENT V6.2를 사용하였다.

성능/효과

노즐의 상부로부터 오리피스 입구까지 주어진 압력 조건을 형성한 후 스월러에서 약 20%의 압력강하를 발생하고, 스월러 출구와 출구 오리피스 사이의 공간에서 약 70%, 출구 오리피스에서 약 10%를 차지하였다.
23%의 감소를 보였다. 또한 이러한 결과는 온도에 따른 물의 밀도변화인 1.16%와 비슷한 수치로서 밀도변화와 밀접한 상관관계를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 노즐설계시에 사용되는 작동유체의 밀도변화가 온도에 대하여 급격한 기울기를 가지는 경우에는 최종유량의 산출시에 온도에 따른 유량의 변화도 고려되어야 할 것으로 판단된다.
따라서, 작동유체의 온도에 따른 유량 변화는 온도에 따른 밀도변화와 밀접한 상관관계를 가지고 있다. 본 연구결과 온도에 따른 유량 변화는 상기에서 제시되었듯이 평균 1.23%로서 매우 작은 감소 비율을 보여주고 있지만, 온도에 따른 밀도변화가 큰 작동유체의 경우에는 온도에 따른 유량 변화의 폭이 더욱더 증가하게 될 것이며 노즐설계 시에 고려되어야 할 것으로 판단된다.
8에 도시된 유량 Qcfd와 작동압력과의 관계를 식 (5)에 적용하게 되면 노즐의 K-factor를 구할 수 있다. 본 연구에서는 0.093~0.094로 n=05를 적용한 값과 비교하여 보면 약 6~7%의 오차값을 보이고 있으며 압력이 상승할수록 오차값이 증가하는 현상을 보여주고 있다.
연구를 진행하였다. 본 연구에서는 작동온도20℃에서 K-factor는 0.094~0.093으로 n=0.5를 적용한 실제노즐의 값과 비교한 결과 약 6~7%의 오차값을 보이고 있어 CFD 해석결과가 타당함을 알 수 있었다. 노즐내부의 압력분포는 스월러를 지나면 서약 20%의 압력강하가 발생하고, 스월러의 출구와 오리피스 사이의 공간에서 약 70%, 출구 오리피스에서 약 10%가 발생하였다.
12는 작동압력의 변화에 대하여 작동온도 1 0℃와 50℃에서 유량의 감소비율을 나타낸 그림이다. 압력이 lObar에서 약 L4%로 유량의 감소 비율이 최대이며 압력이 증가할수록 유량의 감소비율은 줄어들며 압력이 lOObar일 경우 약 1.13%로 나타났고 평균 감소비율은 약 1.23%로 나타났다. 동일한 온도변화에 대하여 유체의 밀도변화는 약 1.
노즐내부의 압력분포는 스월러를 지나면 서약 20%의 압력강하가 발생하고, 스월러의 출구와 오리피스 사이의 공간에서 약 70%, 출구 오리피스에서 약 10%가 발생하였다. 유체의 작동압력이 증가하게 되면 좁은 스월러를 통과하면서 유동 저항이 발생하게 되어 스월러의 입구 부근에서 압력강하가 커지기 때문에 K-factor가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 작동유체의 온도가 증가하게 되면 유체의 밀도가 감소하기 때문에 출구에서 유량이 감소하며, 본 연구에서는 평균 1.
유체의 작동압력이 증가하게 되면 좁은 스월러를 통과하면서 유동 저항이 발생하게 되어 스월러의 입구 부근에서 압력강하가 커지기 때문에 K-factor가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 작동유체의 온도가 증가하게 되면 유체의 밀도가 감소하기 때문에 출구에서 유량이 감소하며, 본 연구에서는 평균 1.23%의 감소를 보였다. 또한 이러한 결과는 온도에 따른 물의 밀도변화인 1.

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