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문제 정의
- 본 연구는 기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무 특성을 알아보기 위하여 분무 조건에 따른 액막 두께, 분열 길이, 분무각을 측정하였다. 기존 연구들은 액막 두께를 측정하지 못한 한계가 있었기 때문에 본 연구를 통하여 기체가 액막 두께에 어떠한 영향을 영향을 주는지 알아볼 수 있었으며 이와 함께 분열 길이와 분무각이 어떻게 변화하는지 알아볼 수 있었다.
- 본 연구는 기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무 특성을 알아보기 위하여 분무 조건에 따른 액막 두께, 분열 길이, 분무각을 측정하였다. 기존 연구들은 액막 두께를 측정하지 못한 한계가 있었기 때문에 본 연구를 통하여 기체가 액막 두께에 어떠한 영향을 영향을 주는지 알아볼 수 있었으며 이와 함께 분열 길이와 분무각이 어떻게 변화하는지 알아볼 수 있었다.
제안 방법
- 기체는 제트 형태로 분사되고 있으며 액체는 4개의 접선 방향 유입구를 통하여 유입된 후 스월 운동을 하면서 분사기로부터 분사된다. 기체 오리피스의 지름은 6 mm, 액체 오리피스의 지름은 8 mm, 초기 액막 두께를 결정하는 gap 두께는 0.5 mm, 접선 방향의 유입구의 크기는 0.9 mm이며 리세스 길이는 6, 12, 18 mm로 변화시켰다.
- 기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무특성을 액막 두께, 분열 길이, 분무각 측정을 통하여 알아보았다. 액체와 기체의 분무 조건에 따라서 분무 특성은 변화하였다.
- 실험 조건은 상압의 조건에서 Table 1과 같이 진행되었다. 기체와 액체의 분무 조건을 변화시켜가며 실험을 하였으며 동축형 분사기에서 주요 변수로 사용되는 기체-액체 운동량 플럭스 비와 기체-액체의 혼합 공간크기를 나타내는 리세스 비를 실험 변수로 선택하여 실험을 진행하였다. 기체-액체 운동량 플럭스 비와 리세스 비의 정의는 식 (1)과 (2)를 통하여 각각 확인 할 수 있으며 기체-액체 운동량 플럭스 비에서는 액체의 축방향 속도를 사용하였다.
- 분사기 출구에서의 액막 두께는 액체의 미립화에 중요한 영향을 미치는 요소로 알려져 있다. 따라서 액막 두께를 측정하는 것은 미립화 특성을 파악하기 위해서는 중요하며 전기 전도도 방법으로 분무 조건에 따른 기체-중심 스월 동축형 분사기의 액막 두께를 측정하였다.
- 3 mm 두께의 티타늄 판을 사용하였으며 두 개의 전극 사이에는 전기 저항도가 높은 아크릴 판을 삽입하여 전기가 통하는 것을 방지하였다. 미립화의 과정에서 분사기 끝단에서의 액막 두께를 측정하는 것이 중요하므로 액막 두께 측정 장치를 분사기 끝단에서 0.9 mm 떨어진 곳에 설치하여 평균 액막 두께를 측정하였다.
- 분무각과 분열 길이를 측정하기 위하여 외부 동기화 장치 없이 카메라와 스트로보스코브를 동기화하여 10 frame/sec의 속도로 분무 사진을 촬영하였다. 실험 조건마다 20장의 분무 사진을 평균화 한 후 분무각을 측정하였다.
- 실험 조건마다 20장의 분무 사진을 평균화 한 후 분무각을 측정하였다. 분무각은 분사기 출구에서부터 액체 오리피스 지름의 2배되는 축방향 지점의 위치까지 액막이 이루는 각을 측정하였다. 분열 길이 또한 20장의 이미지로부터 분열 길이를 측정한 후 평균하여 데이터를 획득하였다.
- 실험 유체인 물은 분사 압력과 질량 유량의 보정 곡선을 측정을 통하여 획득한 후 분사 압력을 통하여 질량 유량을 조절하였으며 기체는 질량유량계와 레귤레이터르 사용하여 질량 유량을 조절하였다. 분사기를 통하여 분사되는 물은 분사기 내부에서 액막 측정장치를 지나면서 평균 액막 두께가 측정되고 분사기 외부에서는 스트로보스코프와 카메라를 동기화하여 분무사진을 촬영하였다.
- 1과 같으며 실험유체로는 케로신과 산화제 과잉 가스를 대신하여 각각 물과 공기를 사용하였다. 실험 유체인 물은 분사 압력과 질량 유량의 보정 곡선을 측정을 통하여 획득한 후 분사 압력을 통하여 질량 유량을 조절하였으며 기체는 질량유량계와 레귤레이터르 사용하여 질량 유량을 조절하였다. 분사기를 통하여 분사되는 물은 분사기 내부에서 액막 측정장치를 지나면서 평균 액막 두께가 측정되고 분사기 외부에서는 스트로보스코프와 카메라를 동기화하여 분무사진을 촬영하였다.
- 분무각과 분열 길이를 측정하기 위하여 외부 동기화 장치 없이 카메라와 스트로보스코브를 동기화하여 10 frame/sec의 속도로 분무 사진을 촬영하였다. 실험 조건마다 20장의 분무 사진을 평균화 한 후 분무각을 측정하였다. 분무각은 분사기 출구에서부터 액체 오리피스 지름의 2배되는 축방향 지점의 위치까지 액막이 이루는 각을 측정하였다.
- 이를 위하여 액체 오리피스에 축 방향으로 오리피스보다 작은 지름을 가진 아크릴 봉을 삽입하여 일정한 액막 두께를 만든 후 이때의 전압을 측정하였다. 아크릴 봉의 지름을 변화시켜 액막 두께와 전압의 관계를 얻은 후 이를 이용하여 실험에서 측정된 전압 데이터를 액막 두께로 변화하였다.
- 액체와 기체의 분무 조건에 따라서 분무 특성은 변화하였다. 액막 두께는 전기 전도도를 이용한 방법으로 측정을 하였으며 분열 길이와 분무각은 카메라와 스트로보스코프를 동기화 하여 얻어진 이미지를 통하여 이미지 프로세싱 과정으로부터 얻을 수 있었다.
- 이를 위하여 액체 오리피스에 축 방향으로 오리피스보다 작은 지름을 가진 아크릴 봉을 삽입하여 일정한 액막 두께를 만든 후 이때의 전압을 측정하였다. 아크릴 봉의 지름을 변화시켜 액막 두께와 전압의 관계를 얻은 후 이를 이용하여 실험에서 측정된 전압 데이터를 액막 두께로 변화하였다.
대상 데이터
- 이 방법은 물의 전기 전도도를 알고 있기 때문에 분사기 오리피스에서 2개의 전극을 설치하여 전압을 측정하는 방식이다. 2개의 전극은 0.3 mm 두께의 티타늄 판을 사용하였으며 두 개의 전극 사이에는 전기 저항도가 높은 아크릴 판을 삽입하여 전기가 통하는 것을 방지하였다. 미립화의 과정에서 분사기 끝단에서의 액막 두께를 측정하는 것이 중요하므로 액막 두께 측정 장치를 분사기 끝단에서 0.
- 분무각은 분사기 출구에서부터 액체 오리피스 지름의 2배되는 축방향 지점의 위치까지 액막이 이루는 각을 측정하였다. 분열 길이 또한 20장의 이미지로부터 분열 길이를 측정한 후 평균하여 데이터를 획득하였다.
- 실험 장치 개략도는 Fig. 1과 같으며 실험유체로는 케로신과 산화제 과잉 가스를 대신하여 각각 물과 공기를 사용하였다. 실험 유체인 물은 분사 압력과 질량 유량의 보정 곡선을 측정을 통하여 획득한 후 분사 압력을 통하여 질량 유량을 조절하였으며 기체는 질량유량계와 레귤레이터르 사용하여 질량 유량을 조절하였다.
이론/모형
- 분무각은 액적분포와 연소실 냉각 등에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 분무사진은 backlight photography 방법으로부터 얻을 수 있었고 분무각은 분사기 끝단에서부터 분사기 액체 출구 지름의 2배되는 위치까지의 영역에서 측정하여 얻을 수 있었다.
- 평균 액막 두께는 전기 전도도를 이용한 방법을 통하여 측정하였다(5). 이 방법은 물의 전기 전도도를 알고 있기 때문에 분사기 오리피스에서 2개의 전극을 설치하여 전압을 측정하는 방식이다.
성능/효과
- 2) 운동량 플럭스 비가 낮은 영역에서는 결과값의 변화는 작았지만 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 결과 값이 감소하였다.
- 3) 결과값이 변화하기 시작하는 운동량 플럭스 비는 리세스 비가 증가함에 따라 점점 작아지는 것 또한 확인 할 수 있었다.
- 4) 이것은 리세스가 증가함에 따라 혼합 영역이 증가하기 때문에 기체에서 액체로 운동량 전달되는 영역 또한 증가하게 되어 보다 낮은 운동량 플럭스 비에서 변화가 일어난다.
- 일반적으로 단일 열림형 스월분사기의 경우 Fig 8의 dash-dot 선으로 표시된 것처럼 액체의 분사압력이 커짐에 따라 분무각은 증가하는 것으로 알려져 있다(7). 단일 열림형 스월 분사기의 액막 두께 결과와 분무각 결과를 비교하면 액체 레이놀즈 수가 증가함에 따라 액막 두께와 분무각은 반비례 하는 결과를 보였다. 이와 다르게 기체 중심 스월 동축형 분사기의 경우, 기체가 분사되지 않는 경우에는 비록 액체 레이놀즈 수가 증가하더라도 분무각은 거의 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다.
- 리세스 수가 증가함에 따라 벽면과의 마찰력에 의하여 액체의 속도는 감소되고 이에 따라 각 운동량 또한 감소하게 되어 액체 액막은 두꺼워진다. 또한 리세스 길이가 길어짐에 따라 기하학적 형상이 단일 열림 형태 스월분사기와 유사하게 변화함에 따라 기체-중심 분사기의 액막 두께는 점점 증가하여 단일 열림 형태 스월 분사기의 액막 두께에 다가가는 것 또한 확인 할 수 있다.
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