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문제 정의
- 대향 분사의 경우는 분사기 출구를 기준으로 반대방향으로 분무되게 된다. 따라서 본 실험에서는 다른 분사각도의 결과와 비교하기 위하여 측정한 분열지점까지의 거리를 방향에 상관없이 절대값으로 취하여 비교하여 보았다. Wu 등[3]은 90도 분사 각도의 경우 분열지점까지 후류로의 진행거리(x 방향), 공기유동장의 침투거리(y방향)의 관계식을 실험을 통하여 밝혀내었다.
- 또한 Costa 등[7]은 90°보다 이전의 분사각도에 대한 연구로 분무의 액주영역 궤적식과 분열식은 횡단류 공기의 속도보다 분사속도에 의한 영향이 큼을 확인하였고, 분사각도에 의한 SMD(Sauter Mean Diameter ; 평균액적크기)에 대하여 현상을 분석하였다. 따라서 본 연구에서는 고정밀 직접사진촬영과 레이저 응용 측정기법인 PLLIF(Planar Liquid Laser Induced Fluorescence ; 평면레이저 유도형광 측정기법)을 통하여 다양한 정방향의 분사각도에서 액주영역 분무궤적과 분열지점까지의 거리에 대한 관계식을 제시하고, 이전 연구결과와 비교분석을 진행하였으며 대향분사에 대한 관계식을 추가로 확인하고자 한다.
제안 방법
- (a)는 본 실험에서 분사각도 90°이하에서 액주궤적의 실험값과 이론값의 비교를 통하여 얻은 항력계수 값이며, 이를 이전의 연구결과와 비교하여 보았다.
- Fig. 1은 본 연구에서 사용된 분사기의 형상에 대한 그림이며, 분사각도에 의한 분무 특성을 확인하기 위하여 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°, 120°, 135°, 150°등 다양한 분사각도의 오리피스를 제작하여 실험을 수행하였다.
- 실험연료의 비중은 Wu등[3]의 이전 연구결과와 유사한 연료를 사용하였으며, 실 연소기에서의 연료의 비중과 유사한 작동유체를 사용하였다. 가시화 영역의 크기는 50mm x 50mm x 330mm 이며, 20마력 송풍기를 사용하여 60m/s의 공기를 불어넣어 주었고, 공기 유동의 안정화를 위하여 공기공급부에 Honeycomb을 설치하여 균일화 하였다. 레이저는 LEXEL사의 아르곤- 온 레이저를 사용하였으며 주사된 빔은 Dantec사의 Fiber-optics를 사용하여 평면광으로 전환하였다.
- 그리고 양쪽의 카메라에 550nm파장을 검출하는 highpass filter와 514±5nm의 파장을 검출하는 bandpass filter를 장착하여 형광신호와 산란신호를 얻었다.
- )와 x/d, 공기의 유동과 분사된 연료의 제트의 모멘텀 비(q)의 관계식으로 표현하였고 분사각도(θ)에 의한 경험식을 식 (1)과 같이 나타내었다. 또한 구형 액적의 2차 분열에 대한 시간 척도를 이용하여 수평방향과 수직방향의 분열길이를 예측하고 여러 가지 경우에서 실험적 결과로 타당성을 검증하였다[3][6]. 액주영역의 궤적은 항력계수에 의해 결정되고 Fuller 등[6]은 항력계수의 결정을 90° 이하의 각도에서 실험한 결과와 힘의 평형으로 유도된 식으로부터 얻은 이론값의 비교로 본 연구의 실험 값이 잘 맞는 구간의 항력계수 값을 정의 하였다.
- 액주영역의 분무 궤적과 분열지점까지의 사진은 각각 1000~3000장을 촬영하여 실험의 오차 범위를 5%이하로 들어오게 하였다[9]. 또한 직접 사진촬영 기법으로 획득한 궤적 및 분열길이 결과와 비교분석을 위하여 형광신호와 산란신호의 강도 값을 얻을 수 있는 PLLIF 기법으로 분무구조를 관찰하였다. Fig.
- 본 연구에서는 이전 연구결과보다 다양한 각도의 실험에서 결과를 통해 이론값과 실험값의 오차를 최소(5%)로 하여 분사각도에 의한 액주의 분무궤적을 도출하였다. 또한 90° 분무의 결과에서 Wu의 항력계수와 비슷한 값을 가지는데 이는 앞에서 언급하였던 실험 조건이 거의 비슷하기 때문에 실험 결과들의 타당성을 증명하였다.
- 또한 챔버와 오리피스의 접선 구간의 곡률에 따라 캐비테이션이 발생하는 유동과 발생하지 않는 유동이 결정된다. 본 연구에서는 캐비테이션이나 수력튀김현상에 대한 분사기 내부유동에 대한 현상을 고려하지 않았으므로 곡률은 유입구의 반경(R)과 오리피스의 지름이 같은 R/d = 1로 하였다. 보통 R ≥ 0.
- 분사각도가 30°, 45°, 60°, 75°, 90°인 정방향분사와 105°, 120°, 135°, 150°인 대향분사에 대한 분무의 액주영역 궤적과 분열지점까지의 거리를 측정하였다.
- 분사각도가 90°보다 이전의 분무에 대한 연구는 Fuller 등[6]이 다양한 분사각도(θ)의 분사제트에서 액주 궤적 관계식을 Wu와 동일한 방법으로 유도하였으며, 액주분열 위치의 연구는 각각의 분사조건 및 분무각도에 따라 고속으로 흐르는 공기에 의해 분열되는 aerodynamic breakup과 공기의 영향을 크게 받지 않고 제트 자체가 가지고 있는 관성의 힘과 난류에 의해 분열되는 non-aerodynamic breakup의 비율로 breakup regime parameter를 정의하고, 실험을 통하여 분열지점까지의 관계식을 유도 하였다.
- 실험으로 얻은 액주영역의 궤적을 이전연구와 비교 검증을 해보고 모든 분사각도에서 유용한지 분석을 진행하였다. Fig.
- 실험의 공기속도는 변위 없이 60m/s로 고정하고, 연료의 속도에 대한 특성을 확인하고자 연료 (물+에탄올)의 분사차압을 1~5bar 즉, 액체/기체 모멘텀 플럭스 비, q(ρFuelv2Fuel / ρAirv2Air)의 값을 21~105로 변화시키면서 분사제트의 액주영역과 액적영역의 분무특성에 대하여 연구하였다.
- 분사각도가 30°, 45°, 60°, 75°, 90°인 정방향분사와 105°, 120°, 135°, 150°인 대향분사에 대한 분무의 액주영역 궤적과 분열지점까지의 거리를 측정하였다. 우선 직접 사진촬영 기법으로는 고정밀도의 촬영이 가능한 Canon EF 100mm f/2.8 Macro USM 렌즈를 사용하여 액주영역의 궤적을 촬영하였고, 고 확대비 촬영이 가능한 Canon MP-E 65mm f/2.8 1-5x Macro Photo 접사렌즈를 이용하여 분열지점에 대한 이미지를 촬영하였다. 디지털 카메라(Canon EOS 20D)와 광원인 스트로보스코프를 동기화하여 촬영하였으며 확대비는 pixel당 약 2~10㎛ 정도이다.
- 레이저는 LEXEL사의 아르곤- 온 레이저를 사용하였으며 주사된 빔은 Dantec사의 Fiber-optics를 사용하여 평면광으로 전환하였다. 평면레이저유도형광 기법을 통하여 얻은 형광신호와 산란신호를 디지털 카메라 Canon EOS D30에 28-105mm 표준 렌즈를 장착하고 이미지의 확대를 위하여 vivitar의 2x 확대 렌즈를 장착하여 이미지를 크게 확대하여 촬영하였다. 그리고 양쪽의 카메라에 550nm파장을 검출하는 highpass filter와 514±5nm의 파장을 검출하는 bandpass filter를 장착하여 형광신호와 산란신호를 얻었다.
대상 데이터
- 8 1-5x Macro Photo 접사렌즈를 이용하여 분열지점에 대한 이미지를 촬영하였다. 디지털 카메라(Canon EOS 20D)와 광원인 스트로보스코프를 동기화하여 촬영하였으며 확대비는 pixel당 약 2~10㎛ 정도이다. 액주영역의 분무 궤적과 분열지점까지의 사진은 각각 1000~3000장을 촬영하여 실험의 오차 범위를 5%이하로 들어오게 하였다[9].
- 가시화 영역의 크기는 50mm x 50mm x 330mm 이며, 20마력 송풍기를 사용하여 60m/s의 공기를 불어넣어 주었고, 공기 유동의 안정화를 위하여 공기공급부에 Honeycomb을 설치하여 균일화 하였다. 레이저는 LEXEL사의 아르곤- 온 레이저를 사용하였으며 주사된 빔은 Dantec사의 Fiber-optics를 사용하여 평면광으로 전환하였다. 평면레이저유도형광 기법을 통하여 얻은 형광신호와 산란신호를 디지털 카메라 Canon EOS D30에 28-105mm 표준 렌즈를 장착하고 이미지의 확대를 위하여 vivitar의 2x 확대 렌즈를 장착하여 이미지를 크게 확대하여 촬영하였다.
- 2는 본 연구에서 사용된 PLLIF 및 직접 사진촬영기법 실험장치의 사진이다. 실험을 수행하기 위하여 주사되는 레이저에 발광하는 염료가 혼합이 잘 되게 하기 위해 물과 에탄올을 4대 1로 섞고 Aldrich F245-6 형광 염료를 섞었고, 캐비테이션 유동을 얻기 위하여 연료를 45℃로 가열한 실험연료를 사용하였다. 실험연료의 비중은 Wu등[3]의 이전 연구결과와 유사한 연료를 사용하였으며, 실 연소기에서의 연료의 비중과 유사한 작동유체를 사용하였다.
이론/모형
- 실험을 수행하기 위하여 주사되는 레이저에 발광하는 염료가 혼합이 잘 되게 하기 위해 물과 에탄올을 4대 1로 섞고 Aldrich F245-6 형광 염료를 섞었고, 캐비테이션 유동을 얻기 위하여 연료를 45℃로 가열한 실험연료를 사용하였다. 실험연료의 비중은 Wu등[3]의 이전 연구결과와 유사한 연료를 사용하였으며, 실 연소기에서의 연료의 비중과 유사한 작동유체를 사용하였다. 가시화 영역의 크기는 50mm x 50mm x 330mm 이며, 20마력 송풍기를 사용하여 60m/s의 공기를 불어넣어 주었고, 공기 유동의 안정화를 위하여 공기공급부에 Honeycomb을 설치하여 균일화 하였다.
성능/효과
- 1. 실험을 통하여 액주영역의 궤적과 분열지점까지의 거리는 연료분사 속도, 공기의 속도에 의한 연료/공기 모멘텀 플럭스(q)와 분사각도(θ), 항력계수(CD)의 함수임을 확인하였다.
- 2. 직접사진촬영기법과 평면레이저유도형광실험으로 얻은 액주영역 궤적과 분열지점까지 거리는 이전 연구결과와 비교 분석하였으며 실험유체 및 조건에 따라 영향을 받음을 확인하였다.
- 3. 분사각도에 의한 액주영역의 궤적 실험식을 도출하였으며, 일반적인 공기유동 방향과 일치하는 정방향분사의 대한 액주궤적 실험식과 공기유동 방향과 반대방향으로 분사되는 대향분사 액주 궤적 실험식과는 항력계수라는 상수의 값에 차이가 나며 여러 분사각도에서 추가실험으로 분석한 결과 모든 분사각도에서 일치하고 있음을 확인하였다.
- 4. 분사각도에 의한 분열길이 특성의 결과로 분무각도가 30°의 예각의 분무의 경우에서는 비 공기역학적 힘의 영향(non-aerodynamic effect)으로 분열길이가 공력학적 힘보다 분사속도에 관련이있음을 확인하였으며 공기유동 방향에 역으로 분사되는 대향분사의 경우에서는 분열길이의 특성이 공기역학적(aerodynamic effect) 힘에 의존됨을 확인할 수 있었다.
- 90°이전의 정방향분사나 대향분사의 분무에서 연료의 속도 즉, q값이 증가할수록 분사되는 제트의 속도가 증가하게 되므로 횡단류의 공기 유동장으로 침투거리가 커지게 됨을 확인할 수 있었다.
- 또한 60°와 120°의 경우에는 대향과 일반 분사의 상관없이 침투방향 분열지점까지 거리가 비슷한 값을 가진다. 그리고 분사차압이 작은 영역에는 분열길이의 차이가 없으며, 분사차압이 큰 영역에서는 그 차이가 보임을 확인할 수 있었다. 또한 침투방향의 분열지점까지의 거리도 마찬가지로 일반분사와 대향분사 상관없이 모두 공기의 유동방향의 수직인 면에 가까운 75°, 90°, 105°분사는 분열지점까지의 거리가 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 그리하여 최종적으로 분사각도가 90°이하의 정방향분사와 대향분사의 분사각도에 따른 액주영역의 궤적 실험식을 얻을 수 있었다.
- 대향분사의 실험식의 경우 계수가 0.2일 때 실험값과 잘 맞는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 검증하기 위해 105°, 135°등의 추가 실험으로 확인해본 결과 모든 영역에서 일치함을 확인하였다.
- 또한 30°분사의 경우는 다른 각도의 분사보다 큰 미립화가 되지는 못한다. 따라서 침투방향의 분열지점까지 거리 역시 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 대향분사 150°경우에서 진행방향의 분열지점까지 거리는 30°와 비슷하나 대향분사의 특성에 의해 궤적이 위로 말려 올라가면서 침투방향의 분열지점까지 거리는 상대적으로 다소 큰 값을 갖는다.
- 이는 본 실험의 q의 조건과 실험에서 사용된 연료의 종류가 물과 에탄올을 혼합한 연료로서 Wu의 실험과 유사하여 계수의 값이 유사함을 생각해 볼 수 있다. 또한 각각의 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.
- 또한 침투방향의 분열지점까지의 거리도 마찬가지로 일반분사와 대향분사 상관없이 모두 공기의 유동방향의 수직인 면에 가까운 75°, 90°, 105°분사는 분열지점까지의 거리가 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 실험으로 90°의 경우는 Wu등이 제시한 분열식과 유사한 경향을 알 수 있고, 그 이하는 Fuller등의 내용과 잘 일치하고, 일반분사와 대향분사 상관없이 모두 공기의 유동방향의 수직인 면에 가깝게 분사될 수 록 분열지점까지의 거리는 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 7로 결정하였다. 본 실험의 결과는 Fuller가 제안한 항력계수의 값보다 Wu 등의 실험과 어느 정도 일치하는 결과를 보이고 있다. 이는 본 실험의 q의 조건과 실험에서 사용된 연료의 종류가 물과 에탄올을 혼합한 연료로서 Wu의 실험과 유사하여 계수의 값이 유사함을 생각해 볼 수 있다.
- 본 연구의 결과에서 90° 분무의 경우에는 Wu의 식과 대부분 일치함을 확인할 수 있었고, 이는 궤적의 결과에서 항력계수의 값이 유사하였기 때문이라고 생각할 수있었다.
- 분사각도가 90°분사와 유사한 60°, 75° 및 105°, 120°분사의 경우는 진행방향의 분열점의 위치가 비슷한 경향을 보이고 있다. 하지만 진행방향의 반대방향으로 분사되는 대향분사인 경우에는 빠르게 유입되는 공기유동에 반대 방향으로 분사가 되므로 공력학적 힘에 의해서 분열지점까지 거리가 정방향분사보다 더 짧은 것을 확인할 수 있었다. 30°와 150°의 경우에서는 전체적으로 공기의 유동장의 수직면에 유사하게 분사되는 나머지 분사각도의 결과의 경우보다 더 큰 값을 가진다.
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