[논문]고온 열판에 충돌하는 액적의 거동에 대한 유동가시화 연구

김동연; 이승재; 김경천

doi:10.5407/jksv.2011.10.1.021

[국내논문] 고온 열판에 충돌하는 액적의 거동에 대한 유동가시화 연구
A Visualization Study on the Characteristics of Droplets Impinging on a Hot Surface 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.10 no.1, 2012년, pp.21 - 26

김동연 (부산대학교 기계공학부) , 이승재 (부산대학교 기계공학부) , 김경천 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrophobic characteristics of high temperature metal surface were investigated by high-speed visualization of water droplet impact. An aluminum plate was used as the sample plate and the initial diameter of a water droplet was 2 mm. Transient behavior of a single droplet impinging on the surface with and without heating was captured by using a high speed camera running at 4,000 frames per second. The Leidenfrost phenomenon was demonstrated for the case of $300^{\circ}C$ surface temperature, however there was no rebounding of droplet on the cold plate due to hydrophilic nature. The experimental results show that the shape evolution of a droplet impinging on the surface varies with the Weber number, i.e. the ratio of impact inertia to capillary force. The overall water-repellent characteristics of the heated surface was very similar to that of the super hydrophobic surfaces.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

하지만 상온평판과 고온평판에 충돌하는 액적을 초고속 카메라를 이용하여 측정하고 충돌 시의 과도적인 동적거동 특성을 분석, 비교한 연구결과는 아직 발표되지 않았으며, 라이덴프로스트 현상에 대한 정확한 이해와 응용을 위해서는 충돌 시 액적의 동적거동에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 초고속카메라를 이용하여 단일 액적이 알루미늄 평판에 충돌하는 경우에 액적의 동적거동 특성을 분석하고자 한다. 25℃ 상온과 라이덴프로스트가 일어나는 조건인 300℃의 알루미늄 평판에 단일 액적을 떨어트려 평판의 온도에 따른 액적거동을 분석하고, 떨어지는 액적의 We수를 변화시켜 We수에 따른 액적의 거동 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 초고속카메라를 이용하여 단일 액적이 알루미늄 평판에 충돌하는 경우에 액적의 동적거동 특성을 분석하고자 한다. 25℃ 상온과 라이덴프로스트가 일어나는 조건인 300℃의 알루미늄 평판에 단일 액적을 떨어트려 평판의 온도에 따른 액적거동을 분석하고, 떨어지는 액적의 We수를 변화시켜 We수에 따른 액적의 거동 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 We수와 알루미늄 평판의 온도에 따른 단일 액적의 동적 거동을 초고속카메라를 이용하여 분석하였다. 상온의 알루미늄 평판에 떨어지는 단일 액적은 재반동이 일어나지 않고 평판에 붙은 상태로 진동운동을 하며 에너지를 소실하였으나, 300℃의 고온에 떨어진 단일 액적은 We수에 따라 평판에 부딪힐 때 액적의 형상과 거동이 달라졌으며, 재반동 운동을 확인할 수 있었는데, 이는 초소수성 평판에서의 동적거동과 유사함을 확인하였다.

가설 설정

Table 1은 본 실험에서 알루미늄 평판의 온도가 상온과 100℃에서의 물의 표면장력을 나타낸 것이다. 실험에서의 액적이 평판과 충돌 시 형상은 구의 일부라고 가정할 수 있다⁽⁶⁾.
본 연구에서 We수를 구하기 위해 액적의 초기 지름(D0)과 밀도(ρ) 및 표면장력(σ)이 동일하다고 가정하고, 액적의 속도는 초고속 카메라로 측정한 이미지를 분석하여 계산하였다.

제안 방법

1에서와 같이 액적이 공중에 떠 있는 현상을 보인다^(7-8). 알루미늄 평판의 경우 2.35 mm 액적이 235~265℃ 이상에서 라이덴프로스트 현상이 일어나는 것으로 알려져 있으며⁽⁹⁾, 본 연구에서는 알루미늄 평판의 온도를 300℃로 설정하여 실험을 진행하였다.
크기가 작고 균일한 단일 액적을 만들기 위해 31G 규격의 인슐린 주사기 바늘을 이용하였고, 주사기 펌프 유입 유량은 실린지 펌프를 이용하여 50 µl/min으로 설정해 주었으며, 이로 인해 약 2 mm 직경의 단일 액적을 생성하였다. 알루미늄 평판은 최대온도가 550℃인 hot plate(Coming, PC-60D)위에 설치되어 300℃로 가열되었으며, K형 열전대를 사용하여 평판의 표면온도를 확인하였다. 유체는 순수(Deionized water)를 사용하였으며, 알루미늄 평판에 충돌하는 단일 액적의 거동은 초고속 카메라(Photron Fastcam SA1.
본 연구에서 We수를 구하기 위해 액적의 초기 지름(D₀)과 밀도(ρ) 및 표면장력(σ)이 동일하다고 가정하고, 액적의 속도는 초고속 카메라로 측정한 이미지를 분석하여 계산하였다. 액적이 평판에 충돌할 때의 이미지와 충돌 직전의 이미지에서 액적이 이동거리를 측정하고, 두 이미지 간 측정시간간격(1/4000초)에서 시간을 측정하여 충돌 직전의 속도(v)를 계산하였고, 이를 이용하여 We수를 계산하였다. 실험에서 가장 중요한 변수인 We수를 변화시키기 위해 단일 액적의 낙하높이 (h)를 10 mm에서 210 mm까지 변화시켰다.
액적이 평판에 충돌할 때의 이미지와 충돌 직전의 이미지에서 액적이 이동거리를 측정하고, 두 이미지 간 측정시간간격(1/4000초)에서 시간을 측정하여 충돌 직전의 속도(v)를 계산하였고, 이를 이용하여 We수를 계산하였다. 실험에서 가장 중요한 변수인 We수를 변화시키기 위해 단일 액적의 낙하높이 (h)를 10 mm에서 210 mm까지 변화시켰다. 라이덴프로스트 영역을 구현하기 위해 열판을 이용하여 알루미늄 평판을 300℃로 가열하여 실험을 수행하였다.
실험에서 가장 중요한 변수인 We수를 변화시키기 위해 단일 액적의 낙하높이 (h)를 10 mm에서 210 mm까지 변화시켰다. 라이덴프로스트 영역을 구현하기 위해 열판을 이용하여 알루미늄 평판을 300℃로 가열하여 실험을 수행하였다. 본 실험에서의 통제변인은 단일 액적의 종류 및 크기 등 작동 유체의 특성이고, 조작변인은 We수와 알루미늄 평판의 온도이다.
라이덴프로스트 영역을 구현하기 위해 열판을 이용하여 알루미늄 평판을 300℃로 가열하여 실험을 수행하였다. 본 실험에서의 통제변인은 단일 액적의 종류 및 크기 등 작동 유체의 특성이고, 조작변인은 We수와 알루미늄 평판의 온도이다. 그에 따른 종속변인은 충돌 후 액적의 최대 직경(Maximum Spreading Diameter, MSD) 및 재반동 높이(h) 가 된다.
10은 β값에 따른 COR(Coefficient of Restitution, # )의 변화를 보여준다. 재반동 높이(h)는 액적이 평판에 충돌 후 재반동하여 다시 낙하하기 직전의 높이로 정의하였으며, 초고속 카메라로 얻은 이미지를 분석하여 측정하였다. 라이덴프로스트 영역에서 액적이 깨지는 현상이 보이는 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 해석하였다.
재반동 높이(h)는 액적이 평판에 충돌 후 재반동하여 다시 낙하하기 직전의 높이로 정의하였으며, 초고속 카메라로 얻은 이미지를 분석하여 측정하였다. 라이덴프로스트 영역에서 액적이 깨지는 현상이 보이는 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 해석하였다. 그래프를 보면 액적이 깨지지 않을 때의 그래프 기울기의 절대 값이 액적이 깨지는 경우의 기울기 절대 값보다 큰 것을 확인할 수 있다.
11은 300℃ 고온조건에서 모멘텀에 따른 초기 재반동 높이의 변화를 나타내었다. 모멘텀을 계산하기 위하여 액적의 질량은 액적을 직경 2 mm의 구로 가정하여 계산하였고, 액적의 충돌 직전 속도는 We수를 계산에 사용된 충돌 직전의 액적 속도를 사용하였다. 초기 모멘텀이 증가함에 따라 점진적으로 재반동 높이가 증가하는 것을 볼 수 있지만, 일정 모멘텀을 지나게 되면 재반동 높이가 감소하는 것을 볼 수 있다.

대상 데이터

크기가 작고 균일한 단일 액적을 만들기 위해 31G 규격의 인슐린 주사기 바늘을 이용하였고, 주사기 펌프 유입 유량은 실린지 펌프를 이용하여 50 µl/min으로 설정해 주었으며, 이로 인해 약 2 mm 직경의 단일 액적을 생성하였다.
알루미늄 평판은 최대온도가 550℃인 hot plate(Coming, PC-60D)위에 설치되어 300℃로 가열되었으며, K형 열전대를 사용하여 평판의 표면온도를 확인하였다. 유체는 순수(Deionized water)를 사용하였으며, 알루미늄 평판에 충돌하는 단일 액적의 거동은 초고속 카메라(Photron Fastcam SA1.1)를 이용하여 초당 4000 장의 영상을 촬영하였고, 광원은 250 W 할로겐램프를 사용하였다.
We > 80의 영역에서는 왕관형태의 액적가지들이 재반동 시 서로 끊어지면서 반동 에너지의 소실이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서의 액적 깨짐 현상이 일어나는 임계 We수는 80이다.

성능/효과

4는 액적이 30 mm의 높이에서 낙하할 때의 거동을 관찰한 것이다. 두 번째 프레임은 충돌 시 최대직경이며 팬케이크 모양의 넓적한 형상을 띄는 것을 볼 수 있었다. 액적의 We수는 10.
그래프에서 확인할 수 있듯이, We수가 증가할수록 β가 증가하는 것을 볼 수 있고, 이것은 충돌 시 액적의 최대직경이 We수가 증가할수록 증가함을 의미한다.
고온평판에서 We < 30 영역에서는 액적은 충돌 시 구형을 유지하며 재반동하였으며, 30 < We 80의 영역에서는 왕관형태의 액적가지들이 재반동 시 서로 끊어지면서 반동 에너지의 소실이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 We수와 알루미늄 평판의 온도에 따른 단일 액적의 동적 거동을 초고속카메라를 이용하여 분석하였다. 상온의 알루미늄 평판에 떨어지는 단일 액적은 재반동이 일어나지 않고 평판에 붙은 상태로 진동운동을 하며 에너지를 소실하였으나, 300℃의 고온에 떨어진 단일 액적은 We수에 따라 평판에 부딪힐 때 액적의 형상과 거동이 달라졌으며, 재반동 운동을 확인할 수 있었는데, 이는 초소수성 평판에서의 동적거동과 유사함을 확인하였다. 고온평판에서 We < 30 영역에서는 액적은 충돌 시 구형을 유지하며 재반동하였으며, 30 < We < 80영역에서는 충돌 시 왕관형태로 펼쳐진 후 재반동이 일어났다.

후속연구

선행연구 결과를 살펴보면 충돌 시 미세액적의 동적 거동은 평판의 온도, 액적의 속도와 표면장력에 의해 지배되며, 이들이 주요 변수로 작용하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 상온평판과 고온평판에 충돌하는 액적을 초고속 카메라를 이용하여 측정하고 충돌 시의 과도적인 동적거동 특성을 분석, 비교한 연구결과는 아직 발표되지 않았으며, 라이덴프로스트 현상에 대한 정확한 이해와 응용을 위해서는 충돌 시 액적의 동적거동에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 초고속카메라를 이용하여 단일 액적이 알루미늄 평판에 충돌하는 경우에 액적의 동적거동 특성을 분석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라이덴프로스트 현상이 일어나는 온도에 도달한 액체의 열전도성의 특징은?	액체가 끓는점보다 훨씬 높은 온도의 물체와 접촉할때, 액체는 순간적으로 기화하면서 접촉면에 단열 증기층을 형성하게 되는데, 이를 라이덴프로스트 현상(Leidenfrost phenomenon)이라 한다. 라이덴프로스트 현상이 일어나는 온도에 도달한 액체의 열전도성은 단열 증기 층에 의해 급격히 떨어지게 되어 액체 내부에 열을 빠르게 전달할 수 없게 된다. 높은 온도의 물체와 접촉 시, 액체의 접촉면은 내부까지 열을 전달하기 전에 증발해 버리고, 증발하는 과정에서 액체 내부의 열을 더 흡수하기 때문에 액체는 내부 기포를 발생시키지 않고 안정정인 상태로 구의 형상을 띄게 된다.
	평판에 액적이 충돌하는 현상은 어디서 확인할 수 있는가?	평판에 액적이 충돌하는 현상은 분무냉각, 분무코팅, 디젤엔진 연소 및 화재예방 등 다양한 분야에서 확인할 수 있다. 특히 최근에는 마이크로 노즐에서 기판에 분사되는 기능성 물질을 함유하고 있는 휘발성 액적을 의도한 형태로 충돌시키기 위한 연구가 진행되며 점차 다양한 분야에서 응용되며 정확한 현상해석에 대한 중요성이 커지고 있다(1-2).
	평판에 충돌하는 액적의 거동에 대한 현상을 규명하기 위해 다양한 연구들로 어떤 연구들이 진행되었는가?	평판에 충돌하는 액적의 거동에 대한 현상을 규명하기 위해 다양한 연구가 진행되었다. Chanadra 연구그룹(3)은 플래시 사진기법(Flash photographic)을 이용하여 상온에서 라이덴프로스트 현상이 일어나는 고온까지의 평판의 온도에 따른 충돌 액적의 거동을 연구하였으며, 연구결과충돌초기에액적이닿는평판의면적은 평판의 온도와는 무관한 것을 밝혀내었다. Anders 연구그룹(4)은 에탄올 액적을 고온의 평판에 충돌시켜 탄성반동에 가까운 재반동 운동과 2차 액적 생성을 확인하였다. 한편 Comeau 연구그룹(5)은 초소수성 표면에서의 액적거동을 연구하였으며, 연구결과 We수에 따라 초소수성 평판에 충돌한 액적의 동적거동이 달라짐을 실험적으로 확인하였다. 선행연구 결과를 살펴보면 충돌 시 미세액적의 동적 거동은 평판의 온도, 액적의 속도와 표면장력에 의해 지배되며, 이들이 주요 변수로 작용하는 것을 확인할 수 있다.

참고문헌 (9)

Chatzikyriakou, D., Walker, S. P., Hale, C. P. and Hewitt, G. F., 2011, "The measurement of heat transfer from hot surfaces to non-wetting droplets", International journal of heat and mass transfer, Vol. Vol.54(7-8), pp.1432-1440.

상세보기
Vance, B. and David, Q., 2001, "Water droplets make an impact", Physics world, Vol. 14(5), pp. 27- 31.
Chanadra, S. and Avedisian, C. T., 1991, "On the collision of a droplet with a solid surface", Proceedings: Mathematical and Physical Sciences, Vol. 432, pp. 13-41.

상세보기
Anders, K., Roth, N. and Frohn, A., 1993, "The velocity change of ethanol droplets during collision with a wall anaysed by image processing", Exp. Fluids, Vol. 15(2), pp. 91-96.

상세보기
Comeau, D., LaTourette, K. and Pate J., 2007, "The effect of Weber number and spread factor of a water droplet impinging on a super-hydrophobic substrate", Applied Mathematics.
Nilsson, M. A. and Rothstein, J. P., 2011, "The effect of contact angle hysteresis on droplet coalescence and mixing", Journal of colloid and interface science, Vol. 363(2), pp.646-654.

상세보기
Walker, J., "Boiling and the Leidenfrost Effect", Halliday 6e.
Bertola, V., 2009, "An experimental study of bouncing Leidenfrost drops: Comparison between Newtonian and viscoelastic liquids", International journal of heat and mass transfer, Vol. 52(7-8), pp.1786-1793.

상세보기
Bernardin, J. D. and Mudawar, I., 1999, "The Leidenfrost Point: Experimental Study and Assessment of Existing Models" Journal of Heat Transfer, Vol. 121, pp. 894-903.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증