[논문]초고속 발사체의 액체 저장부 충돌에 의한 초음속 액체 제트의 분무 속도 및 분열 특성

이인철; 신정환; 김희동; 구자예

doi:10.5407/jksv.2011.9.1.055

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Pulsed supersonic liquid jets injected into an ambient air are empirically studied by using a high pressure ballistic range system. Ballistic range systems which are configured with high-pressure tube, pump tube, launch tube and liquid storage nozzle. Experimental studies are conducted to use with v...

Pulsed supersonic liquid jets injected into an ambient air are empirically studied by using a high pressure ballistic range system. Ballistic range systems which are configured with high-pressure tube, pump tube, launch tube and liquid storage nozzle. Experimental studies are conducted to use with various impact nozzle geometry. Supersonic liquid jets are generated by an impact of high speed of the projectile. High speed liquid jets are injected with M = 3.2 which pressure is 1.19 GPa. Multiple jets which accompany with shock wave and pressure wave in front of the jet were observed. The shock-wave affects significantly atomization process for each spray droplets. As decreasing orifice diameter, the averaged SMD of spray jets had the decreasing tendency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또 초음속 액체제트가 실험실의 무한 공간으로 전파하는 이상적인 경우에 대한 실험을 수행하여, 실제의 유한체적의 연소실에서 발생하는 충격파의 반사 등의 효과에 관해서는 관심을 가지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 다양한 노즐 형상 변화에 따른 액체 제트의 충격파 거동과 분무각, 분사속도 특성을 고찰하고 초기 분사시 분무 영역에 대한 액적 평균 직경 분포 특성을 연구하도록 한다.
6에 나타내었다. 본 연구에서는 분사 노즐 내부 오리피스의 기하학적 형상에 따른 분무 특성을 연구하였으며, Table 1에는 초음속 액체 제트의 다양한 분무특성 연구를 위해 분사 노즐의 기하학적 치수를 나타내었다. 액체 제트의 분무 가시화 이미지는 그림자 기법(shadow-graph)을 이용하였으며, 약 15,000 fps 사양의 고속 CCD 모듈을 사용하여 이미지를 촬영하였다.

제안 방법

고속 액체 제트를 분사시키기 위한 연구에서는 상당히 오랜 기간 동안 고속 발사체 시험장치(Ballistic Range)의 작동특성을 조사하여 성능을 평가하였으며, 그 후 액체 제트의 초음속 상태를 얻기 위하여, Ballistic Range로부터 발사되는 발사체를 직접 액체 노즐의 저장부에 충돌시켜, 수만 기압의 압력을 용이하게 달성할 수 있었다. 다양한 실험 결과 액체 제트의 미립화 특성에는 발사체로부터의 충돌 압력이 주된 영향을 미치며, 액체 제트를 분사시키기 위한 발사체의 적정한 질량과 음속의 발사체 속도는 분사제트를 초음속의 속도로 전파시킬 수 있다는 결과를 타나내었다.
본연구에서는 그림자 기법을 사용하여 고속의 CCD 모듈을 사용하여 초음속 액체 제트를 촬영하였으며, 이미지 분석을 통해 초음속 액체 제트의 충격파 각도를 측정한 후 Fig. 11과 같이 궁형 충격파에 대한 θc - θs - M 관계(12)를 이용하여 마하수를 도출하였다.
액체 제트의 분무 가시화 이미지는 그림자 기법(shadow-graph)을 이용하였으며, 약 15,000 fps 사양의 고속 CCD 모듈을 사용하여 이미지를 촬영하였다. 액체 제트의 액적 직경 측정을 위해 레이저 회절 원리를 이용한 분무 입경 측정 장치를 사용하였다. 헬륨-네온 레이저를 사용한 분무 입경 측정 장치는 Mie -scattering 원리를 이용하여 액적 직경을 측정하며, 구형 액적에 대한 굴절률과 흡수계수를 매개 변수로 사용하고 산란중 회절에 따른 광량을 다원소 광검출기 사용하여 측정하도록 한다.
초음속 인젝터로부터 분사된 액체 제트는 미시적 분무 특성을 파악하기 위해 미립화 정도를 SMD(Sauter mean diameter)로 평가하며, 증발이나 연소 연구 분야에서 SMD를 사용한다. 증발이나 표면 연소에서는 액적의 면적이 중요한 의미를 지니므로 실제 분무와 같은 체적과 표면적의 비를 가지는 SMD를 사용하도록 한다. 또한 SMD는 액적 관통이나 액적의 열전달 측면에서도 중요한 과정을 특성화 할 수 있기 때문에 분무 되는 액체 제트는 SMD를 통해 성능을 평가 하도록 한다.
초고속 발사체의 액체 저장부 충돌에 의한 초음속 액체 제트 분무 속도 및 분열 특성 연구를 위해 고속 CCD 모듈과 레이저 회절 분무 입경 측정 장치를 사용 하였다. 발사초기에 발사관 출구에서는 압축파와 충격파를 관찰할 수 있었다.
초음속 액체 제트의 분무 특성 연구는 대기압 조건에서 수행하였으며, 분무장의 주위 온도는 297 ± 5K, 상대습도 50% 조건에서 수행하였다.
액체 제트의 액적 직경 측정을 위해 레이저 회절 원리를 이용한 분무 입경 측정 장치를 사용하였다. 헬륨-네온 레이저를 사용한 분무 입경 측정 장치는 Mie -scattering 원리를 이용하여 액적 직경을 측정하며, 구형 액적에 대한 굴절률과 흡수계수를 매개 변수로 사용하고 산란중 회절에 따른 광량을 다원소 광검출기 사용하여 측정하도록 한다.

대상 데이터

3과 같으며, 본 장치는 고압관, 펌프관, 발사관, 액체 저장부로 구성되어 있다. 본 실험에 사용된 고압 기체는 총포용 고압 압축기를 사용하여 약 115 bar의 기체를 질소통에 저장하여 순간적으로 사용하며, 고압관, 펌프관, 발사관 사이에는 격막을 두어 압력 상승시 파열되어 순간적으로 압축된 기체를 사용할 수 있게 하였다. 고압관으로부터 이송된 고압 기체는 순간적으로 펌프관으로 이송되어 피스톤을 가속시키고 순간적으로 공기를 단열 압축시킨다.
시험에 사용된 액체는 온도 20°C, 밀도 998 kg/m3, 표면장력 0.0727 N/m 조건의 물을 사용하였다.
0727 N/m 조건의 물을 사용하였다. 초음속 액체 제트를 분사하기 위한 초고압 분무 시험 장치는 Fig. 3과 같으며, 본 장치는 고압관, 펌프관, 발사관, 액체 저장부로 구성되어 있다. 본 실험에 사용된 고압 기체는 총포용 고압 압축기를 사용하여 약 115 bar의 기체를 질소통에 저장하여 순간적으로 사용하며, 고압관, 펌프관, 발사관 사이에는 격막을 두어 압력 상승시 파열되어 순간적으로 압축된 기체를 사용할 수 있게 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 분사 노즐 내부 오리피스의 기하학적 형상에 따른 분무 특성을 연구하였으며, Table 1에는 초음속 액체 제트의 다양한 분무특성 연구를 위해 분사 노즐의 기하학적 치수를 나타내었다. 액체 제트의 분무 가시화 이미지는 그림자 기법(shadow-graph)을 이용하였으며, 약 15,000 fps 사양의 고속 CCD 모듈을 사용하여 이미지를 촬영하였다. 액체 제트의 액적 직경 측정을 위해 레이저 회절 원리를 이용한 분무 입경 측정 장치를 사용하였다.
초음속 인젝터로부터 분사된 액체 제트는 미시적 분무 특성을 파악하기 위해 미립화 정도를 SMD(Sauter mean diameter)로 평가하며, 증발이나 연소 연구 분야에서 SMD를 사용한다. 증발이나 표면 연소에서는 액적의 면적이 중요한 의미를 지니므로 실제 분무와 같은 체적과 표면적의 비를 가지는 SMD를 사용하도록 한다.

성능/효과

고속 액체 제트를 분사시키기 위한 연구에서는 상당히 오랜 기간 동안 고속 발사체 시험장치(Ballistic Range)의 작동특성을 조사하여 성능을 평가하였으며, 그 후 액체 제트의 초음속 상태를 얻기 위하여, Ballistic Range로부터 발사되는 발사체를 직접 액체 노즐의 저장부에 충돌시켜, 수만 기압의 압력을 용이하게 달성할 수 있었다. 다양한 실험 결과 액체 제트의 미립화 특성에는 발사체로부터의 충돌 압력이 주된 영향을 미치며, 액체 제트를 분사시키기 위한 발사체의 적정한 질량과 음속의 발사체 속도는 분사제트를 초음속의 속도로 전파시킬 수 있다는 결과를 타나내었다.
9로 고정하고 L/d를 증가시킨 결과 액체 제트의 분사 속도는 노즐 내부에서 압력 상쇄 효과로 감소하였다. 또한 오리피스 직경 1.0 mm 조건에서 L/d가 증가함에 따라 SMD는 동일한 분포를 나타내었으며, 오리피스 길이를 L = 11.9로 일정하게하고 L/d를 증가시킴에 따라 SMD가 감소하는 경향을 나타내었다.
2의(1088 m/s)초음속으로 분사된 액체 제트의 충격파 거동을 나타낸 이미지이다. 또한 초음속 액체 제트 분사 압력은 베르누이 방정식에 의해 도출되며, 오리피스의 방출계수를 0.7로 하였을 때 약 1.19GPa의압력으로 나타낼 수 있었다. Fig.
일반적으로 분사 압력이 극초고압으로 상승함에 따라 액적 직경을 작아져 무화된 액체 제트의 특성을 나타낼 것으로 예측하였으나 액체 제트 분사 오리피스 직경의 영향으로 액체 제트가 모두 미립화되지 않고 상대적으로 큰 액적들이 발생하였다. 또한 큰 액적들이 분무 전방으로 진행함에 따라 액적 덩어리 후방에서 분열되어 미립화가 진행되는 현상을 관찰할 수 있었다. Fig.
9일 때에 초음속 액체 제트의 분사 속도가 가장 빠르게 나타났다. 오리피스 길이를 L = 11.9로 고정하고 L/d를 증가시킨 결과 액체 제트의 분사 속도는 노즐 내부에서 압력 상쇄 효과로 감소하였다. 또한 오리피스 직경 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 고속 CCD 모듈과 레이저 회절 분무 입경 측정 장치를 사용해 초음속 액체 제트 분무 속도 및 분열 특성을 연구한 결과는 어떠한가?	초고속 발사체의 액체 저장부 충돌에 의한 초음속 액체 제트 분무 속도 및 분열 특성 연구를 위해 고속 CCD 모듈과 레이저 회절 분무 입경 측정 장치를 사용 하였다. 발사초기에 발사관 출구에서는 압축파와 충격파를 관찰할 수 있었다. 오리피스 관 출구에서도 발사 관과 비슷하게 액체 제트가 분사되기 직전에 수직 기체 방출파를 형성하여 수 μs 이내에 오리피스 출구에서 압축파와 충격파를 나타내었다. 초음속으로 분사된 액체 제트 전방 영역에서 궁형 충격파가 발생하였으며, 액체 제트는 이러한 충격파를 관통한 후 다시 압력발달 과정을 거쳐 2차 충격파를 생성하였다. 초음속 액체 제트 분무 선단의 액적에서도 충격파가 발생하였으며, 각각의 액적 사이에서 반사 충격파도 발생하였다. 오리피스 직경이 1.0 mm 조건에서 L/d를 증가시킴에 따라 마하 수가 크게 나타났으며, L/d = 11.9일 때에 초음속 액체 제트의 분사 속도가 가장 빠르게 나타났다. 오리피스 길이를 L = 11.9로 고정하고 L/d를 증가시킨 결과 액체 제트의 분사 속도는 노즐 내부에서 압력 상쇄 효과로 감소하였다. 또한 오리피스 직경 1.0 mm 조건에서 L/ d가 증가함에 따라 SMD는 동일한 분포를 나타내었으며, 오리피스 길이를 L = 11.9로 일정하게하고 L/d를 증가시킴에 따라 SMD가 감소하는 경향을 나타내었다.
	고속 액체 제트의 연구의 시작은 무엇인가?	1950년대에 빗물에 의한 항공기 표면 삭마 현상의 연구를 시작으로 고속 액체 제트의 연구가 시작되었으며, 고압의 압축 공기와 화약을 사용하여 Fig. 2와 같이 고속 탄환을 액체 저장부에 충돌시켜 고속 액체 제트의 분무 특성과 액적 충돌 특성을 연구하였다.
	초고압 액체 제트의 분사 기술은 주로 무엇에 응용되고 있는가?	초음속 액체 제트는 초고압의 가압원을 통해 분사되며, 초고압 액체 제트의 분사 기술은 재료의 절단, 연료 분사와 같은 기술에서 폭넓게 응용되고 있으며, 일반적으로 산업에서 활용하고 있는 플런저 펌프(plunger pump)와 고압 복동식 펌프를 사용하여 1000기압 정도의 고압을 생성시킨다. 초음속 상태로 액체를 분무시키기 위해서는 가압원이 필요하며, 일반적인 펌프 방식의 가압원보다 더 큰 가압 압력을 발생할 수 있는 단발성 충돌형 가압 시스템을 활용해야 한다.

참고문헌 (11)

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H. H. Shi and K. Takayama, 1995, “Generation of high-speed liquid jets by high-speed impact of a projectile,” JSME International Journal, Series B, vol. 38, no. 2, pp. 181-90.

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H. H. Shi, K. Higashiura, and M. Itoh, 1999, “Generation of hypervelocity liquid jets using a powder gun and impact experiment,” Transaction of the Japan Society for Aeronautical and Space Science, vol. 42, no. 135, pp. 9-8.
T. Nakahira, M. Komori, M. Nishida, and K. Tsujimura, 1992, “The shock wave generation around the diesel fuel spray with high pressure injection,” SAE Technical Paper, no. 920460.
K. Nishida, H. Ochiai, M. Arai, and H. Hiroyasu, 1997, “Characterization of diesel fuel spray by ultrahigh-pressure injection,” Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part B, vol. 63, no. 605, pp. 344-49.

상세보기
정대용, 2004, “극초고압 디젤분무의 액정분사압력 및 한계압력 규명에 관한 연구,” 성균관대학교 박사학위 논문.
이중근, 김희동, 구자예, 2010, “초음속 발사체의 쉴리렌 가시화,” 한국가시화정보학회 추계학술대회 발표논문집, pp. 73-74.

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