원형 및 타원노즐의 내부유동과 외부유동의 상관관계를 알아보기 위해 실험적 연구가 수행되었다. 분사압력에 따라 유량, 분무각, 액적크기 등의 외부유동에 관해 관찰하였고, 노즐 내부유동의 유속 및 압력분포 등을 수치해석을 통해 정량적인 결과를 도출하였다. 외부유동의 경우, 동일한 압력조건하에서 타원형 노즐의 경우, 원형 노즐에서 나타나지 않는 표면분열의 분무특성을 관찰할 수 있었고, 수치해석을 통해 노즐 내부의 유동을 분석한 결과, 원형의 경우와는 달리 타원형 노즐의 단축에서 내부유동의 재부착이 노즐 벽면에서 발생되었다. 타원노즐 외부유동의 표면분열이 내부유동에 따른 결과라고 판단된다.
원형 및 타원노즐의 내부유동과 외부유동의 상관관계를 알아보기 위해 실험적 연구가 수행되었다. 분사압력에 따라 유량, 분무각, 액적크기 등의 외부유동에 관해 관찰하였고, 노즐 내부유동의 유속 및 압력분포 등을 수치해석을 통해 정량적인 결과를 도출하였다. 외부유동의 경우, 동일한 압력조건하에서 타원형 노즐의 경우, 원형 노즐에서 나타나지 않는 표면분열의 분무특성을 관찰할 수 있었고, 수치해석을 통해 노즐 내부의 유동을 분석한 결과, 원형의 경우와는 달리 타원형 노즐의 단축에서 내부유동의 재부착이 노즐 벽면에서 발생되었다. 타원노즐 외부유동의 표면분열이 내부유동에 따른 결과라고 판단된다.
An experimental study was carried out to determine the correlation between the internal flow in a circular nozzle and elliptical nozzles with the external flow. The flow rate, spray angle and drop size were measured under various conditions of the injection pressure. Numerical simulations were attem...
An experimental study was carried out to determine the correlation between the internal flow in a circular nozzle and elliptical nozzles with the external flow. The flow rate, spray angle and drop size were measured under various conditions of the injection pressure. Numerical simulations were attempted to investigate the internal flow structure in the elliptical nozzles, because the experimental study was limited in its measurements of flow velocity and pressure distributions in the relatively small orifice. In the case of the elliptical nozzles, the disintegration characteristics of the liquid jet were significantly different from those of the circular nozzle. Surface breakup was observed at the jet issued from the elliptical nozzles with injection pressure. This is due to the internal flow structure, which is reattached to the orifice wall at the minor axis plane of the elliptical nozzle, unlike that observed with the circular nozzle.
An experimental study was carried out to determine the correlation between the internal flow in a circular nozzle and elliptical nozzles with the external flow. The flow rate, spray angle and drop size were measured under various conditions of the injection pressure. Numerical simulations were attempted to investigate the internal flow structure in the elliptical nozzles, because the experimental study was limited in its measurements of flow velocity and pressure distributions in the relatively small orifice. In the case of the elliptical nozzles, the disintegration characteristics of the liquid jet were significantly different from those of the circular nozzle. Surface breakup was observed at the jet issued from the elliptical nozzles with injection pressure. This is due to the internal flow structure, which is reattached to the orifice wall at the minor axis plane of the elliptical nozzle, unlike that observed with the circular nozzle.
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문제 정의
하지만, 노즐이라는 제한된 공간 내에서 실험적으로 내부유동의 물리적 현상을 규명하기는 많은 제약이 따를 수밖에 없다. 따라서, 노즐 내부유동 특성을 파악하기 위해 선행연구자들과 같이 캐비테이션 모델을 이용한 수치해석적 방법으로 노즐의 내부유동에 대해 연구하였다. 실험적으로 관찰하고 계측된 외부유동의 미립화 특성과 수치계산을 통해 얻은 내부유동의 물리량을 비교 분석하여, 노즐 내, 외부 유동의 상관관계를 밝힐 필요가 있다.
하지만, 지금까지 대부분의 관련 연구가 외부 유동 즉, 액체 미립화 특성만 관찰하거나, 또는 노즐 내부유동만을 초점을 둔 보고들이었다. 따라서, 본 연구에서는 원형 및 타원형 노즐의 외부유동의 미립화 특성을 실험적으로 관찰하고, 노즐 내부유동 특성을 파악하기 위해 FLUENT 6.2 의 캐비테이션 모델을 이용하여 노즐의 내부유동을 수치 해석적으로 접근하였다. 실험적으로 관찰하고 계측된 외부유동의 미립화 특성과 수치계산을 통해 얻은 내부유동을 비교 분석하여, 노즐 내, 외부 유동의 상관관계를 밝히고자 하였다.
하지만, 지금까지 대부분의 관련 연구가 외부 유동 즉, 액체 미립화 특성만 관찰하거나, 또는 노즐 내부유동만을 초점을 둔 보고들이었다. 따라서, 본 연구에서는 원형 및 타원형 노즐의 외부유동의 미립화 특성을 실험적으로 관찰하고, 노즐 내부유동 특성을 파악하기 위해 FLUENT 6.2 의 캐비테이션 모델을 이용하여 노즐의 내부유동을 수치 해석적으로 접근하였다. 실험적으로 관찰하고 계측된 외부유동의 미립화 특성과 수치계산을 통해 얻은 내부유동을 비교 분석하여, 노즐 내, 외부 유동의 상관관계를 밝히고자 하였다.
2 의 캐비테이션 모델을 이용하여 노즐의 내부유동을 수치 해석적으로 접근하였다. 실험적으로 관찰하고 계측된 외부유동의 미립화 특성과 수치계산을 통해 얻은 내부유동을 비교 분석하여, 노즐 내, 외부 유동의 상관관계를 밝히고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서 수행한 실험조건은 Table 2 와 같다. 각각의 노즐에 대해 분사압력을 1~9MPa 로 조절하며, 압력에 대한 유량 및 외부 유동에 대한 이미지를 획득하였다. 유량은 유량센서의 값을 100Hz 로 샘플링하여 15 초 동안 측정한 값의 평균값이다.
Daikoku(5)은 원형 노즐을 사용하여 노즐 내부 캐비테이션의 생성 및 소멸이 분사된 액주의 분열에 미치는 영향에 대해 실험적으로 연구하였다. 그들의 결과에 따르면, 노즐 내부에서 발생된 캐비테이션이 분사된 액주의 난류강도를 증가시키며, 결과적으로 액체 미립화 특성에 영향을 미침을 관찰하였다. 이와 같이 노즐 내부유동이 액체 미립화 특성에 지대한 영향을 미치는 중요한 요인으로 앞서 언급한 연구결과 외에도 많은 연구들이 보고되고 있지만, 노즐이라는 제한된 공간 내에서 실험적으로 내부유동의 물리적 현상을 규명하기는 많은 제약이 따를 수밖에 없다.
본 연구에서는 타원형 노즐과 원형 노즐의 캐비테이션 현상을 수치해석적으로 접근하기 위해 계산 영역 내부 격자를 격자 생성 프로그램인 GAMBIT 을 이용하여 생성하였다. 사용된 원형(C) 노즐과 타원형 노즐(E2)의 노즐의 격자를 Fig.
장축면에서는 노즐 출구까지 캐비테이션이 성장하여 재부착이 발생하지 않는 유동구조를 가지는 반면, 단축면에서는 유속분포와 액체 체적분율에서 볼 수 있듯이 오리피스 입구에서 박리(separation)된 후 재부착(reattachment)되는 결과를 얻을 수 있다. 분사압력이 5MPa, 9MPa 에서도 동일한 형태의 유선분포와 액체 체적분율의 결과를 확인하였다. 이를 통해, 장축면과 단축면에서 유체의 전단응력이 다르게 나타날 가능성을 유추할 수 있는 결과라고 판단되고, 노즐 오리피스 벽면에서 전단응력을 고려해 볼 필요가 있다.
서지탱크의 압력은 질소가스에 의해 일정하게 유지되도록 하였으며, 분사압력은 노즐 상단부에 위치한 니들밸브에 의해 조정되었다. 서지 탱크의 압력과 분사압력은 압력센서(pressure transducer)에 의해서 측정되었고, 분사 유량은 니들밸브 전단에 장치된 유량센서(Koreameter, KTM-800)에 의해 측정 되었다. 측정된 모든 신호는 데이터처리장치(Data acquisition board)를 통해 실시간으로 모니터링 되며 컴퓨터에 저장되었다.
2 의 캐비테이션 모델을 이용하여 노즐의 내부유동을 수치 해석적으로 접근하였다. 실험적으로 관찰하고 계측된 외부유동의 미립화 특성과 수치계산을 통해 얻은 내부유동을 비교 분석하여, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
유량은 유량센서의 값을 100Hz 로 샘플링하여 15 초 동안 측정한 값의 평균값이다. 액적 크기를 알아보기 위해서 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하여, 반도체 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD 카메라(EPIX CMOS camera) 등으로 구성된 장비를 통해 분무 선단 방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(detector)에서 수신하여 액적 평균입경(Sauter Mean Diameter, SMD)을 획득하였다.(13,14) 인젝터는 3 축 이송장치에 부착하여 위치제어가 가능하도록 하였다.
지금까지 원형 및 타원형 노즐의 외부유동의 미립화 특성을 실험적으로 관찰하였다. 서론에서 언급한 바와 같이 노즐 외부유동과 내부유동에는 밀접한 인과관계가 존재함을 강조한 바 있다.
타원형 노즐의 형상비에 따른 외부유동 특성을 조사하기 위해 원형노즐과 비교 실험을 수행하였다. 본 연구에서 수행한 실험조건은 Table 2 와 같다.
대상 데이터
격자구조는 육면체 격자를 사용하였고, 실험에 사용된 각각 노즐의 전체 격자 수와 오리피스 부의 격자 수를 Fig. 6 에 나타내었다. 또한 실질적으로 캐비테이션이 나타나는 오리피스 벽면 주위에서는 상대적으로 좀 더 조밀한 격자를 형성하였다.
측정된 모든 신호는 데이터처리장치(Data acquisition board)를 통해 실시간으로 모니터링 되며 컴퓨터에 저장되었다. 분무 가시화를 위해 광원(drelloscop 3020)과 CCD 카메라(vieworks,VM-2M35)를 사용하였다.
실험에 사용된 원형 노즐과 타원형 노즐은 Fig. 2와 같이 설계, 제작되었다. 오리피스 직경 0.
2와 같이 설계, 제작되었다. 오리피스 직경 0.5mm 인 원형노즐을 기준으로 근사한 단면적을 가지는 타원형 노즐을 제작하였으며, 타원형 노즐의 형상비(a/b)는 각각 1.9 와 2.9 를 가진다. Table 1 은 실험에 사용된 노즐의 상세치수와 단면적을 나타낸다.
5 는 분사압력 9MPa 에서 원형과 타원형 노즐에서 분사된 액적 평균입경을 측정한 결과이다. 측정은 Fig. 5 의 그림과 같이 노즐 출구에서 100mm 떨어진 지점에서 15mm 간격으로 390mm 하류까지 분열된 액적을 대상으로 하였다. 노즐에 관계없이 하류로 갈수로 SMD 는 감소하여 350mm 이상에서는 일정한 값을 가짐을 볼 수 있다.
이론/모형
따라서, 본 연구에서는 난류모델로 realizable k-ε 모델을 사용하였다. Solver 는 segregated solver 를 사용하였고, velocity-pressure coupling 알고리즘은 SIMPLE 을 사용하였다. 또한 대류항들은 second order upwind 로 압력 항은 second order 로 이산화되었다.
다상유동 계산을 위해 FLUENT 의 혼합모델(mixture model)이 사용되었다. FLUENT 의 혼합모델의 지배방정식은 혼합물을 단일 유체로 취급하여 계산한다.
따라서, 본 연구에서는 난류모델로 realizable k-ε 모델을 사용하였다.
수치해석 결과의 유효성을 확보하기 위해 Kim(10)과 Ku(11)의 연구결과와 비교, 분석하소, 그 과정을 따랐다.
타원형 노즐의 캐비테이션 유동 특성을 수치해석적으로 접근하기 위해 FLUENT 6.2 의 캐비테이션 모델을 사용하였다.(15) FLUENT 6.
성능/효과
(1) 1~9MPa의 노즐 분사압 변화에 따라 타원형 노즐에서는 난류제트 및 표면분열 현상을 관찰할 수 있었다. 하지만 같은 분사압력임에도 불구하고, 원형 노즐의 외부유동은 타원형 노즐의 분열특성을 관찰할 수 없었다.
(2) 수치해석 결과에서 원형노즐과 타원노즐의 장축에서는 캐비테이션이 오리피스 출구까지 성장하여 재부착이 일어나지 않지만, 단축에서는 재부착 현상이 발생됨을 확인할 수 있었다.
(3) 오리피스 벽면 전단응력은 원형노즐과 타원 노즐의 장축에서는 오리피스 출구까지 0 이고, 단축에서는 캐비테이션이 존재하는 영역에서 0 이고, 나머지 재부착 현상이 발생된 지점부터 출구까지 전단응력이 발생됨을 확인할 수 있었다. 단축에서의 전단응력이 외부유동의 난류제트 및 표면분열 현상을 초래하는 발생 메커니즘이라고 판단된다.
또한, Yunyi(12)은 타원형 노즐을 디젤 인젝터에 적용하여 연료 미립화에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 그들의 결과에 따르면 타원형 노즐의 단축의 길이가 장축의 길이보다 작음에도 불구하고 분무하류에서 단축부의 분무각이 커지는 현상을 관찰하였으며, 타원형 노즐의 액적 평균입경도 원형 노즐보다 작아짐을 관찰하였다.
3 은 실험에 사용된 원형 및 타원형 노즐을 통해 분사된 외부유동의 이미지를 보여준다. 노즐에서 분사압력이 1MPa 일 때 원형 노즐에서의 외부유동은 표면이 매끈한 액주 상태임을 볼 수 있고, 타원형노즐에서는 같은 분사압력임에도 불구하고, 표면이 거친 난류제트(turbulence jet)의 표면분열(surface breakup) 현상을 관찰할 수 있었다.
5MPa 과 9MPa 에서도 동일한 경향의 외부유동을 확인할 수 있다. 또한, 타원형 노즐의 장축과 단축에서 분열 상태는 공통적으로 표면분열이 관찰되었지만, 장축에서 분열 폭과 분무하류에서 분열 정도가 더 커짐을 확인할 수 있었다.
4의 그림과 같이 노즐 출구에서 15mm 떨어진 지점에서 액주 좌우로 분열되는 각도를 더한 값으로 정의하였다. 원형 노즐의 분무각은 Fig. 3 에서 관찰한 바와 같이 분열이 없는 액주상태이므로 분무각은 압력변화에 관계없이 0 이었고, 타원형 노즐의 경우 장축에서 분무각을 측정할 때, 형상비(a/b)가 1.9 인 경우에는 5MPa 까지 분무각이 0 이다가 액주면에서 표면분열이 생기면서 차츰 증가함을 관찰할 수 있었다. 또한, 형상비가 2.
후속연구
따라서, 노즐 내부유동 특성을 파악하기 위해 선행연구자들과 같이 캐비테이션 모델을 이용한 수치해석적 방법으로 노즐의 내부유동에 대해 연구하였다. 실험적으로 관찰하고 계측된 외부유동의 미립화 특성과 수치계산을 통해 얻은 내부유동의 물리량을 비교 분석하여, 노즐 내, 외부 유동의 상관관계를 밝힐 필요가 있다. 다음 절에 본 연구에 사용된 수치해석 방법, 결과 및 고찰을 소개하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선행연구들을 통해 노즐 내부유동과 외부유동에는 밀접한 인과관계가 존재함을 유추가능하지만, 대부분의 관련 연구들은 무엇에 초점을 두고 있는가?
이와 같이 전술한 선행연구들을 통해 노즐 내부유동과 외부유동에는 밀접한 인과관계가 존재함을 유추할 수 있다. 하지만, 지금까지 대부분의 관련 연구가 외부 유동 즉, 액체 미립화 특성만 관찰하거나, 또는 노즐 내부유동만을 초점을 둔 보고들이었다. 따라서, 본 연구에서는 원형 및 타원형 노즐의 외부유동의 미립화 특성을 실험적으로 관찰하고, 노즐 내부유동 특성을 파악하기 위해 FLUENT 6.
노즐 내부 오리피스(orifice)에서 발생된 캐비테이션은 무엇에 영향을 주는가?
노즐 내부 오리피스(orifice)에서 발생된 캐비테이션(cavitation)은 유출계수뿐만 아니라, 외부유동의 분무특성에도 영향을 미친다고 알려져 있다.(1,2) 최근 들어, 캐비테이션을 포함한 노즐 내부유동에 관한 연구가 활발히 수행되고 있는데, Sou(3)는 2-D 노즐을 사용하여 노즐내부의 캐비테이션 현상을 관찰하여 캐비테이션의 발달과정을 4 가지 영역으로 구분하였다.
Sou(3)는 2-D 노즐을 사용하여 노즐내부의 캐비테이션 현상을 관찰하여 캐비테이션 발달과정을 몇가지로 구분했는가?
노즐 내부 오리피스(orifice)에서 발생된 캐비테이션(cavitation)은 유출계수뿐만 아니라, 외부유동의 분무특성에도 영향을 미친다고 알려져 있다.(1,2) 최근 들어, 캐비테이션을 포함한 노즐 내부유동에 관한 연구가 활발히 수행되고 있는데, Sou(3)는 2-D 노즐을 사용하여 노즐내부의 캐비테이션 현상을 관찰하여 캐비테이션의 발달과정을 4 가지 영역으로 구분하였다. Park(4)은 원형 노즐의 오리피스 직경에 대한 오리피스 길이비 (l/d)에 따른 캐비테이션 현상을 관찰하여 오리피스 길이비가 노즐 내부 캐비테이션 유동에 영향을 미치는 주요한 요인이며, 길이비가 커질수록 노즐 내부에서 캐비테이션을 발생시키기 위해 높은 분사압력이 필요하다고 보고하였다.
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