[논문]발사체 충돌에 의한 초음속 액체 제트의 분사 특성 및 유동 가시화

신정환; 이인철; 구자예; 김희동

doi:10.5407/jksv.2011.9.2.027

발사체 충돌에 의한 초음속 액체 제트의 분사 특성 및 유동 가시화
Spray Characterization and Flow Visualization of the Supersonic Liquid Jet by a Projectile Impingement 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.9 no.2, 2011년, pp.27 - 33

신정환 (한국항공대학교 대학원) , 이인철 (한국항공대학교 대학원) , 구자예 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 김희동 (국립안동대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Supersonic liquid jet discharged from a nozzle has been investigated by using a ballistic range which is composed of high-pressure tube, pump tube, launch tube and liquid storage nozzle. High-speed Schlieren optical method was used to visualize the supersonic liquid jet flow field containing shock wave system, and spray droplet diameter was measured by the laser diffraction method. Experiment was performed with various types of nozzle to investigate the major characteristics of the supersonic liquid jet operating at the range of total pressure of 0.8 from 2.14 GPa. The results obtained shows that shock wave considerably affects the detailed atomization process of the liquid jet and as the nozzle diameter decreases, the shock wave angle and the averaged SMD of spray droplet tends to decrease.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내에서는 초음속 액체 제트의 구체적인 연구 결과가 미비하며, 국외에서 수행된 연구 결과에 따르면 액적의 미립화, 충격파의 효과 및 매연물질 저감 등에 관한 상당한 지견을 소지한 것으로 예상되며 국내에서도 이 분야에 대한 연구의 필요성이 요구된다. 본 연구에서는 축소형 2단식 경가스총을 사용하여 초음속 액체 제트의 분사 특성을 파악하기 위해 직선 원추형 노즐(straight cone nozzle)의 기하학적인 형상 변화에 따라 액체 제트의 분열 과정과 미립화 특성, 분사 속도 및 침투 거리 등을 고찰하고, 초기 분사시 분무 영역에 대한 액적 평균 직경 분포 특성을 규명하여 초고압 디젤 엔진을 포함한 여러 가지 응용 분야에 적용하고자 한다.
1(b)는 초기 액체 제트의 액적 분열 다음 단계를 개략도로 나타낸 그림이다. 액체 제트 중심의 액주 자체는 항력의 영향과 관련된 공기역학적 발달로 이루어진 미립화된 액적의 막으로 둘러싸여 있다는 연구 결과를 도찰하였다.

제안 방법

1 모델의 초고속 CCD 카메라를 사용하였다. 또한 초음속 액체 제트의 액적 직경 측정을 위해 레이저 회절 원리를 이용한 분사 입경 장치는 Mie scattering 원리를 이용하여 액적 크기를 측정하며, 구형 액적에 대한 굴절률과 흡수 계수를 매개 변수로 사용하고 액적의 산란 중 회절에 따른 광량을 다원소 광검출기를 사용하여 측정하도록 한다.
본 연구는 축소형 2단식 경가스총을 이용하여 발사체 충돌에 의해 분사되는 초음속 액체 제트의 유동 가시화 및 미립화 특성을 쉴리렌 가시화 장치와 레이저 회절 분무 입경 측정 장치를 사용하여 분석하였다.
9는 오리피스 길이(L) 대 직경(d) 변화에 따른 초음속 액체 제트의 마하수와 SMD를 나타낸 그래프이다. 초고속 CCD 카메라를 사용하여 분사 시간에 따른 분사 거리를 측정하였고, 이를 통해 마하수를 계산하였으며, SMD는 분사 입경 측정 장치를 통하여 측정하였다.
초음속 액체 제트의 분사 특성 연구는 대기압 조건에서 수행하였으며, 분무장의 주위 온도 297±5 K, 상대습도 50%의 조건에서 수행하였다.
반대로 L/d가 감소함에 따라 액주의 분열은 가속화되기 때문에 액주의 빠른 분열은 액체 제트의 속도를 감소시키는 결과를 초래하였다. 초음속으로 분사된 액체 제트는 미시적 분사 특성 파악하기 위해 미립화 정도를 SMD(sauter mean diameter)로 나타내었다. SMD는 오리피스 직경이 작아짐에 따라 최대 151.

대상 데이터

3(a)는 체적 700 mm³으로 이루어진 Type A의 액체 저장부를 간략히 나타낸 그림이며, 발사관으로부터 발사된 발사체(질량 6 gram)의 운동에너지를 이용하여 저장된 액체에 직접 충돌시켜 노즐 오리피스를 통해 분사 시킨다. Type A에 사용된 액체는 물이며 다양한 분사 노즐 형상에 따라서 초음속 액체 제트의 분사 속도, 침투 거리 및 액적 미립화 특성을 규명하기 위해 사용되었다. Fig.
Type B는 다양한 물성치를 가진 액체에 따른 분사 특성을 규명하기 위해 수행된 형식이다. 사용된 액체는물, 디젤 연료, 엔진 오일(5 W/20)이며 액체에 따른 물성치는 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 분사 노즐은 Fig.
실험에 사용된 분사 노즐은 Fig. 4와 같이 직선 원추형 노즐로써 오리피스 직경(d), 길이(L), 원추형 각도(α) 등과 같은 기하학적인 형상이 구분되어 있다.
초음속 액체 제트를 생성하기 위해 설계된 분사 노즐 어셈블리는 Type A와 B의 2가지 형상이 적용되었다. Fig.

성능/효과

1) 초음속 액체제트 전방에 충격파 및 압축파 시스템이 발생하였으며, 분무외곽에서는 액적이 분열되는 과정을 가시화하였다. 또 제트 내부에서는 분열되지 않은 액주가 분사되어, 선행하는 충격파를 관통한 후 다시 2차 충격파가 발생하였다.
2) 액체의 점성이 높은 오일(5W/20)의 경우, 제트내부에서 큰 운동량을 가지는 액주로 인해 높은 마하수와 침투거리를 보였다.
3) 노즐의 길이가 길어질수록 분사 속도가 감소하였으며, 노즐의 직경이 작을수록 분사속도는 증가하였다.
4) 액적의 SMD는 노즐의 직경이 감소함에 따라 감소하였으나, L/d의 변화에는 크게 의존하지 않았다.
SMD는 오리피스 직경이 작아짐에 따라 최대 151.2 µm에서 52.25 µm로 감소하는 특성을 나타내었다.
7 mm의 침투거리를 도달할 수 있었다. 이러한 결과로 초음속 액체 제트의 분사 환경에서 점성이 분사 속도에 많은 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음속 액체 제트 분사 기술은 어떤 연소 효율에 이점을 주는가?	초음속 액체 제트 분사 기술은 1950년대에 Bowden & Brunton이 고속항공기에 강하게 충돌하는 빗물에 의한 고체 표면의 삭마 및 변형을 초래하는 액체 침식 과정 분석 연구를 시작으로 발전되었으며, 현재 재료의 세척 및 절단 등에 물리적 현상들이 적용될 수 있다(1). 또한 고성능 직접 분사 방식 디젤 엔진(common rail direct injection diesel engine)의 연소 효율에 상당한 이점을 줄 수 있다. 액체 제트는 초음속의 상태로 분사되기 때문에 전방에 충격파를 수반하며, 이러한 충격파의 영향으로 온도, 전단력, 항력 등의 변화를 겪는다.
	초음속 상태로 액체를 분사시키기 위해 필요한 것은?	초음속 상태로 액체를 분사시키기 위해서는 높은 압력의 가압원이 필요하다. 일반적으로 산업용으로 사용되고 있는 사판식 유압펌프와 증압기는 액체 제트를 6000 bar의 압력으로 분사할 수 있지만 강한 충돌의 운동에너지를 제공하는 Ballistic Range의 일종인 2단식 경가스총(two-stage light gas gun)을 사용하면 10,000 bar 이상의 압력으로 분사가 가능하다.
	사판식 유압펌프와 증압기의 특징은?	초음속 상태로 액체를 분사시키기 위해서는 높은 압력의 가압원이 필요하다. 일반적으로 산업용으로 사용되고 있는 사판식 유압펌프와 증압기는 액체 제트를 6000 bar의 압력으로 분사할 수 있지만 강한 충돌의 운동에너지를 제공하는 Ballistic Range의 일종인 2단식 경가스총(two-stage light gas gun)을 사용하면 10,000 bar 이상의 압력으로 분사가 가능하다. 보통 2단식 경가스총은 발사관으로부터 발사체(projectile)를 초고속으로 발사시킨 후 비행 상태에서의 공기 역학적 특성과 정지된 표적에 충돌시켜 고속 충돌 파괴현상을 연구할 수 있다(3).

참고문헌 (5)

F. P. Bowden and J. H. Brunton, 1958, "Damage to solids by liquid impact at supersonic speeds," Nature, vol. 181, no. 4613, pp. 873-875.

상세보기
K. Pianthong, K. Takayama, B.E. Milton, M. Behnia, 2005, "Multiple pulsed hypersonic liquid disel fuel jets driven by projectile impact," Shock Waves, Digital Object Identifier (DOI) 10.1007/s00193-004-0237-2.

상세보기
Charters, A. C., 1995, "Development of the high velocity gas dynamics guns, Intl. Jour. Impact engineering," Vol. 17, pp. 181-203.
J. E. Field and M. B. Lesser, 1977, "On the mechanics of high speed liquid jets," Proceedings Royal Society London, A series, Vol. 357, pp. 143-162.
강현구, 2007, "Ballistic Range Simulator에 관한 실험적 연구," 국립안동대학교 석사학위논문.

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