[논문]젤 모사 추진제 삼중 충돌 분사 제트의 거시적 분열 특성 연구

황태진; 이인철; 구자예

[국내논문] 젤 모사 추진제 삼중 충돌 분사 제트의 거시적 분열 특성 연구
Macroscopic Breakup Characteristics of Water Gel Simulants with Triplet Impinging Spray Jet 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.15 no.3, 2010년, pp.109 - 114

황태진 (한국항공대학교 대학원) , 이인철 (한국항공대학교 대학원) , 구자예 (한국항공대학교 항공우주및기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The implementation of gelled propellants systems offers high performance, energy management of liquid propulsion, storability, and high density impulse of solid propulsion. The present study focused on the macroscopic spray characteristics of liquid sheets formed by triplet impinging jets of non-Newtonian liquids which are mixed by Carbopol 941 0.5%wt. The results are compared to experiments conducted on spray images which formed by triplet impinging jets concerning with airassist effect at center orifice. When gel propellants are injected by doublet impinging jets at low pressure and high pressure, closed rim pattern shape appeared by polymeric effect from molecular force and showed inactive atomization characteristics, because of extensional viscosity related by restriction of atomization process and breakup time delay of turbulence transition. As increasing mass flow rate of the air(increasing GAR), spray breakup level is also increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1과 같이 다양한 연구 주제로서 국외의 국공립 연구소 및 대학 실험실에서 연구를 진행하고 있으며, 분무 특성 연구 및 연소 실험을 통해 각각의 연구 단계를 정립하고, 젤 추진제 기술에 대한 성능 평가를 수행하고 있다. 하지만 아직 국내 연구기관 및 대학 연구실에서는 젤 추진제의 유변학적 물성치 변화와 분무 특성에 관한 연구 결과들은 미비한 것으로 판단되기 때문에, 본 연구에서는 젤 모사 추진제의 충돌 방식에 따른 분무 특성을 파악하기 위해 삼중 충돌형 인젝터를 사용하고 젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성의 비교 실험을 수행하여 젤 추진제의 분열 및 미립화 특성과 관련한 거시적 분무 특성을 연구하도록 한다.

제안 방법

젤 추진제에 대한 정량적인 선행 연구로서 Green et al.⁽²⁾은 삼중 충돌형과 동축 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제에 대한 미립화 특성을 규명하였다. 인젝터 출구에서 일정한 전단률의 상수로서 계산된 젤 추진제는 높은 전단력에 의존하여 인젝터 출구로 분사되고 일반적인 물보다는 미립화 특성이 동일 압력에 비해 저조하다는 특징을 연구하였다.
은 전단력, 인장 점도를 dieswell 측정 방법을 사용하여 나타내었으며, 특히 미립화 특성과 유변학적 특성을 연계하여 비점탄성(viscoinelastic) 물질에 대하여 SMD가 전단률에 의존한다고 연구하였다. 또한, 점탄성 효과를 고려한 유체의 미립화가 좀 더 어려우며, 전단력에 의한 점성보다 점탄성 같은 확장 점성(extensional viscosity)의 효과가 분열을 억제한다는 유변학적 메커니즘을 연구하였다. 폴리머 용해 분무의 확장 점성 효과는 Dexter⁽⁷⁾에 의해 연구되었으며, 전단 점도는 확장성 점도의 수치보다 더욱 낮다고 연구하였다.
실제 연소압을 고려한 실험 환경에서 분무 특성을 모사하기 이전에 대기압 상태에서 삼중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제의 분무 분열 특성에 관한 실험적 연구를 수행하였다.
⁽²⁾은 삼중 충돌형과 동축 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제에 대한 미립화 특성을 규명하였다. 인젝터 출구에서 일정한 전단률의 상수로서 계산된 젤 추진제는 높은 전단력에 의존하여 인젝터 출구로 분사되고 일반적인 물보다는 미립화 특성이 동일 압력에 비해 저조하다는 특징을 연구하였다. Chojnacki and Feikema^(3,4)는 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 추진제의 분무 특성을 연구하였으며, 비점성 유체의 분무 특성 연구를 위하여 모세관 점성계를 이용하였다.
Chojnacki and Feikema^(3,4)는 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 추진제의 분무 특성을 연구하였으며, 비점성 유체의 분무 특성 연구를 위하여 모세관 점성계를 이용하였다. 일반적으로 충돌 효과에 의하여 액막(liquid sheet)이 발달하며, Weber number 증가에 따라 분무각이 증가한다는 연구 결과를 도출하여 non-Newtonian 효과를 고려한 선형 안정성 해석 기법으로 액막의 분열 현상을 예측할 수 있는 연구를 수행하였다. Ciezki et al.
젤 모사 추진제와 물의 거시적 분무 특성을 비교하기 위해 절대점도 : 1.15 mPa·s, 20°C의 물을 사용하여 실험을 수행하였다.
젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성 연구를 위해 Ionized Water 98.5%wt, 아크릴산의 중합 폴리머 계열인 Carbopol 941 0.5%wt, NaOH 10% 농축액 1%wt를 혼합하여 pH 8.5로 조절한 후 모사 추진제를 제작하였으며, 25°C에서 물과 젤 추진제의 특성은 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

Table 1에는 삼중 충돌형 인젝터의 설계 파라미터를 나타내었으며, 실험에 사용된 충돌형 인젝터는 충돌각이 30° 이고, 충돌 거리는 6.0 mm 이며, 오리피스 길이는 4.0 mm 이다.
실제 연소압을 고려한 실험 환경에서 분무 특성을 모사하기 이전에 대기압 상태에서 삼중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제의 분무 분열 특성에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 젤 사 추진제의 분무 이미지는 CCD 카메라를 이용하여 실시간으로 획득하였으며, 젤 모사 추진제의 분무 실험을 위하여 Fig. 2와 같이 실험 장치를 구성하였다. 젤 모사 추진제는 최대 40 kg/cm²의 압력으로 가압 되어 다양한 압력으로 분사되며, 공기의 분사 압력은 약 3 kg/cm²의 압력으로 인젝터 중심에서 일정한 압력으로 분사되게 된다.

성능/효과

GAR=∞의 경우 양쪽 오리피스에 충돌된 젤 모사 액체 제트는 서로 결합되어 어느 정도의 시간 지연을 갖고 closed rim 패턴의 형태를 갖고 일정한 분무 파장을 나타내며, 분무 하류 방향으로 퍼져 나간다. GAR이 감소(공기의 유량 증가)함에 따라 분무 각은 증가하고, 분열 길이가 줄어들며, 점성에 의해 연결된 액막(liquid sheet) 분지(branch)와 일정한 분무 파장의 가시화 특성이 점점 사라지는 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 물의 삼중 충돌 특성과 유사하게 젤의 삼중 충돌 분무의 경우에서 나타나는 분무 파장은 오리피스 출구로 분무되는 젤 추진제의 압력 섭동과 관계되며, 또한 압력 섭동은 오리피스 내부의 기하학적 형상과 관계된다.
그리고 물의 삼중 충돌 특성과 유사하게 젤의 삼중 충돌 분무의 경우에서 나타나는 분무 파장은 오리피스 출구로 분무되는 젤 추진제의 압력 섭동과 관계되며, 또한 압력 섭동은 오리피스 내부의 기하학적 형상과 관계된다. 결국 삼중 충돌형 인젝터의 중심에서 분사되는 공기의 유량이 증가 할수록 Fig. 7과 같이 젤 모사 추진제의 분무 미립화가 활발히 진행된다는 것을 관찰할 수 있었다. 특히, GAR=165.
하지만 고압 분사 (2 MPa 이상)의 경우 물의 이중 충돌 이미지 분석결과 분무각은 증가하고 미립화 정도는 향상 되며, 특히, 분열 길이가 감소한 것을 관찰할 수 있다. 젤 모사 추진제의 경우 분사압이 증가함에 따라 rim 패턴이 불안정해지고 충돌 후 젤 모사 추진제의 표면 파장이 불안정해져 액막의 분열이 분무 가장자리에서부터 일어나 젤 모사 추진제의 미립화가 진행됨을 관찰할 수 있다. Fig.
충돌 방향에 대한 분무각은 충돌 직각 방향에 대한 분무각보다 약 30° 적은 분무각을 나타내었으며, 공기의 유량이 증가함에 따라 분무각도 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
7과 같이 젤 모사 추진제의 분무 미립화가 활발히 진행된다는 것을 관찰할 수 있었다. 특히, GAR=165.9와 GAR=114.88을 경계로 미립화 특성이 다르게 나타나는 것을 관찰할 수 있었으며, GAR=114.88을 시점으로 미립화 정도는 GAR=102.87과 유사한 특성을 나타내었다. Fig.
젤 모사 추진제의 충돌 분무의 경우 미립화 억제와 난류 천이(turbulence transition)의 분무 분열 지연(spray breakup delay)에 관련된 확장성 점도(extensional viscosity)로 인하여 저조한 미립화 특성을 나타낸다. 하지만 삼중 충돌형 인젝터의 중심에서 분사되는 공기의 유량이 증대됨에 따라 충돌 방향에 대하여 직각 방향인 분무의 분무각이 증가하였고 분열 길이는 줄어들었으며, 또한 미립화 정도는 향상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고점도의 젤 추진제가 가지는 특성은?	젤(Gel) 추진제는 안정성과 취급성이 용이하며, 특히 고점도의 젤 추진제는 높은 에너지 밀도와 비추력, 추력 제어, 비독성, 추진제 탱크의 소형화, 비누설성(nonleak)과 같은 특성으로 고성능 추진 시스템에 활용될 수 있다. 젤 추진제는 비뉴튼(non-Newtonian) 유체로서 유변학적 물성이 시간에 따라 변화하며, 기존의 액체 연료에 점성 효과가 추가된 젤 추진제는 분무시 탄성으로 인한 분지(branch) 형상뿐만 아니라 딕소트로픽(thixotropy) 특성과 같이 시간에 의존하는 특성을 갖게 된다.
	삼중 충돌형 인젝터를 사용하고 젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성의 비교 실험을 수행하여 젤 추진제의 분열 및 미립화 특성과 관련한 거시적 분무 특성을 연구한 결론은?	젤 모사 추진제의 충돌 분무의 경우 미립화 억제와난류 천이(turbulence transition)의 분무 분열 지연(spray breakup delay)에 관련된 확장성 점도(extensional viscosity)로 인하여 저조한 미립화 특성을 나타낸다. 하지만 삼중 충돌형 인젝터의 중심에서 분사되는 공기의 유량이 증대됨에 따라 충돌 방향에 대하여 직각 방향인 분무의 분무각이 증가하였고 분열 길이는 줄어들었으며, 또한 미립화 정도는 향상되었다.
	젤 추진제에 대한 정량적인 선행 연구로는 어떤 것들이 있는가?	하지만 추진 제의 점도 증가는 분사 후 미립화 정도를 제한하며, 엔진 성능의 감소를 일으킬 수도 있기 때문에 고압의 분무 환경에서 분사된다. 젤 추진제에 대한 정량적인 선행 연구로서 Green et al.(2)은 삼중 충돌형과 동축 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제에 대한 미립화 특성을 규명하였다. 인젝터 출구에서 일정한 전단률의 상수로서 계산된 젤 추진제는 높은 전단력에 의존하여 인젝터 출구로 분사되고 일반적인 물보다는 미립화 특성이 동일 압력에 비해 저조하다는 특징을 연구하였다. Chojnacki and Feikema(3,4)는 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 추진 제의 분무 특성을 연구하였으며, 비점성 유체의 분무 특성 연구를 위하여 모세관 점성계를 이용하였다. 일반적 으로 충돌 효과에 의하여 액막(liquid sheet)이 발달하며, Weber number 증가에 따라 분무각이 증가한다는 연구 결과를 도출하여 non-Newtonian 효과를 고려한 선형 안정성 해석 기법으로 액막의 분열 현상을 예측할 수 있는 연구를 수행하였다. Ciezki et al.(5)는 JetA-1/ThixatrolST 젤 추진제의 유변학적 특성과 유동 특성 선도를 전단률 범위 10 −2~106 범위에서 capillary & rotational rheometer를 이용하여 나타내었으며, Al 금속 입자가 첨가된 젤 분무의 미립화 정도는 피스톤식 가압을 통한 고압 분사를 통해 기존의 Newtonian 액체 연료와 비슷한 액적 크기로 분무가 가능하다고 연구하였다.

참고문헌 (9)

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Chojnacki, K.T. and Feikema, D.A., "Atomiztion Studies of Gelled Liquids", AIAA Paper 94-2773, 1994.
Chojnacki, K.T. and Feikema, D.A., "Studies ofNonnewtonian liquid Sheets Formed by Impinging Jets", AIAA Paper 97-3335, 1997.
Madlener, K., Ciezki, H.K., Kampen, J.V. and Feinauer, A., "Characterization of Various Properties of Gel Fuels with Regard to Propulsion Application", AIAA/ ASME/SAE/ASEE 44th Joint Propulsion Conference & Exhibit, Hartford, CT, AIAA 2008-4870, 21-23 July, 2008.
Mansor, A and Chigier, N., "Air-blast Atomization of Non-Newtonian Liquids", Journal of Non-Newtonian Fluid mechanics, Vol. 58, pp. 161-194, 1995.

상세보기
Dexter, R.W., "Measurement of Extensional Vis cosity of Polymer Solutions and its Effects on Atomization from a Spray Nozzle", Atomization and Sprays, Vol. 6, pp. 167-191, 1996.

상세보기
Rahimi, S. and Natan, B., "Numerical Solution of The Flow of Power Law Gel Propellants in Converging injectors", Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 25, No. 4, pp. 203-212, 2000.

상세보기
Metzner, A.B. and Reed, J.C., "Flow of Non-newto nian Fluids - correlation of the laminar, transition, and turbulent-flow regions", A.I. Ch. E. Journal B1, Vol. 1, No. 4, pp. 434-440, 1955.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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