무동력펌프의 일종인 이젝터는 압력을 갖는 유체를 노즐에서 분사하여 주위의 유체를 흡입 후 혼합유체를 외부 동력 없이 송출하는 장치이다. 구조가 간단하고 고장이 적어 여러 산업분야에서 이용되고 있으며, 자동차 산업에서는 연료주입용으로도 이용되고 있다. 대부분 이젝터는 가스상을 사용하기 때문에, 가스상 이젝터는 오래전부터 연구되어 왔다. 액체상 이젝터는 그 용도에 비해 아직 연구가 활발하지 못하다. 가스상 이젝터와 달리, 액체상 이젝터는 노즐목에서 부분적인 압력강하에의한 공동현상이 발생되고 이러한 공동현상은 부품파손을 유발하며, 소음을 발생시키는 원인이 되고 있다. 본 연구는 액체-액체상 이젝터의 최대 유량비와 공동현상 발생영역 비교를 위해 5가지 인자를 변경하여 2차원 축대칭 전산해석을 진행하였다. 액체 이젝터의 공동현상에서는 특히 노즐각도가 중요한 역할을 하였으며, 유량비 성능 특성은 혼합챔버각도 $35^{\circ}$가 가장 유리한 것으로 판단된다. 이를 통해 공동 현상을 최소화시키면서 성능 최적화를 달성할 수 있는 조합을 얻을 수 있음을 확인하였다.
무동력펌프의 일종인 이젝터는 압력을 갖는 유체를 노즐에서 분사하여 주위의 유체를 흡입 후 혼합유체를 외부 동력 없이 송출하는 장치이다. 구조가 간단하고 고장이 적어 여러 산업분야에서 이용되고 있으며, 자동차 산업에서는 연료주입용으로도 이용되고 있다. 대부분 이젝터는 가스상을 사용하기 때문에, 가스상 이젝터는 오래전부터 연구되어 왔다. 액체상 이젝터는 그 용도에 비해 아직 연구가 활발하지 못하다. 가스상 이젝터와 달리, 액체상 이젝터는 노즐목에서 부분적인 압력강하에의한 공동현상이 발생되고 이러한 공동현상은 부품파손을 유발하며, 소음을 발생시키는 원인이 되고 있다. 본 연구는 액체-액체상 이젝터의 최대 유량비와 공동현상 발생영역 비교를 위해 5가지 인자를 변경하여 2차원 축대칭 전산해석을 진행하였다. 액체 이젝터의 공동현상에서는 특히 노즐각도가 중요한 역할을 하였으며, 유량비 성능 특성은 혼합챔버각도 $35^{\circ}$가 가장 유리한 것으로 판단된다. 이를 통해 공동 현상을 최소화시키면서 성능 최적화를 달성할 수 있는 조합을 얻을 수 있음을 확인하였다.
An ejector is a type of non-powered pump that is used to supply a secondary flow via the ejection of a primary flow. It is utilized in many industrial fields, and is used for fueling the vehicle because of less failures and simple structure. Since most of ejectors in industry are gas-to-gas and liqu...
An ejector is a type of non-powered pump that is used to supply a secondary flow via the ejection of a primary flow. It is utilized in many industrial fields, and is used for fueling the vehicle because of less failures and simple structure. Since most of ejectors in industry are gas-to-gas and liquid to gas ejector, many research activities have been reported in optimization of gas ejector. On the other hand, the liquid ejector is also applied in many industry but few research has been reported. The liquid ejector occurs cavitation, and it causes damage of parts. Cavitation has bees observed at the nozzle throat at the specified pressure. In this study, a two-dimensional axisymmetric simulation of a liquid-liquid ejector was carried out using five different parameters. The angle of the nozzle plays an important role in the cavitation of a liquid ejector, and the performance characteristics of the flow ratio showed that an angle of $35^{\circ}$ was the most advantageous. The simulation results showed that the performance of the liquid ejector and the cavitation effect have to be considered simultaneously.
An ejector is a type of non-powered pump that is used to supply a secondary flow via the ejection of a primary flow. It is utilized in many industrial fields, and is used for fueling the vehicle because of less failures and simple structure. Since most of ejectors in industry are gas-to-gas and liquid to gas ejector, many research activities have been reported in optimization of gas ejector. On the other hand, the liquid ejector is also applied in many industry but few research has been reported. The liquid ejector occurs cavitation, and it causes damage of parts. Cavitation has bees observed at the nozzle throat at the specified pressure. In this study, a two-dimensional axisymmetric simulation of a liquid-liquid ejector was carried out using five different parameters. The angle of the nozzle plays an important role in the cavitation of a liquid ejector, and the performance characteristics of the flow ratio showed that an angle of $35^{\circ}$ was the most advantageous. The simulation results showed that the performance of the liquid ejector and the cavitation effect have to be considered simultaneously.
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문제 정의
본 연구에서는 액체상 이젝터의 설계변수에 따른 이젝터 성능 특성을 이해하기 위해 2차원 축대칭 해석 모델을 개발하고자 한다. 1차측 액체의 노즐 분사 속도에 따라 구동 노즐 목에서 공동현상이 관측되기 때문에 해석모델을 이용해 설계 변수에 따른 공동현상도 함께 확인하고자 한다. 이를 통해 성능 특성과 1차측 구동노즐 공동현상 사이의 상관성을 조사하고자 한다.
상기와 같이 유체의 상에 따라 설계변수에 따른 성능 특성이 달라지기 때문에, 액체상 이젝터 특성에 대한 구체적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 액체상 이젝터의 설계변수에 따른 이젝터 성능 특성을 이해하기 위해 2차원 축대칭 해석 모델을 개발하고자 한다. 1차측 액체의 노즐 분사 속도에 따라 구동 노즐 목에서 공동현상이 관측되기 때문에 해석모델을 이용해 설계 변수에 따른 공동현상도 함께 확인하고자 한다.
1차측 액체의 노즐 분사 속도에 따라 구동 노즐 목에서 공동현상이 관측되기 때문에 해석모델을 이용해 설계 변수에 따른 공동현상도 함께 확인하고자 한다. 이를 통해 성능 특성과 1차측 구동노즐 공동현상 사이의 상관성을 조사하고자 한다.
가설 설정
Fig. 3의 Case 1은 본 연구의 이젝터 유동 3차원 형상이며, 여러 인자별 결과비교를 위한 시간적 효율성을 높이고자, Case 2와 같이 2차측 액체가 혼합챔버 주위 360˚에서 유입된다는 가정 하에 2차원 축대칭 모델로 변형하였다. Fig.
본 연구에서 이젝터 형상은 2차원 축대칭으로 모델링 하였으며, 정상상태로 가정하였다. 모델 해석에서 사용되는 보존 방정식은 다음과 같다.
제안 방법
인자별 해석을 위한 경계조건은 압력조건으로 설정하였다. 1차측 액체의 압력은 400kPag, 흡입구와 출구 압력은 대기압으로 설정하여 1차측 액체의 흐름에 따른 이젝터 내부의 유동 특성을 분석하였다. Fluent 13.
구동 노즐의 출구위치는 이젝터 목의 입구대비 구동노즐 출구와의 거리로서, 3-7 mm까지 해석을 수행했다. Fig.
구동노즐의 직경은 1차측 액체의 유량과 2차측 액체의 유량, 그리고 공동현상 발생영역까지 영향을 주는 중요한 파라미터가 된다. 구동노즐의 직경을 0.3-0.8mm까지 변화하여, 노즐직경 비 0.06-0.16의 범위에서 해석을 진행했다. Fig.
⑤번 인자는 이젝터 목 입구 대비 구동노즐 출구와의 거리를 변경하며 연구를 수행했다. 노즐 목에서 발생하는 공동현상의 특성 비교를 위해 노즐 목 후단에서 길이방향으로 진행하는 공동현상 발생 영역의 크기를 비교하였다.
본 연구에서 가솔린 이젝터의 최대 성능을 갖는 파라미터들을 찾기 위해 유량비와 공동현상영역에 영향을 주는 인자 5가지를 선정하여 독립적으로 전산해석을 이용해 비교하였다. 각 최적 인자를 선정, 종합하여 3차원 전산해석과 실험적 검증을 하는 것은 추후 진행사항이다.
구동노즐 목에서 급격히 감소하는 압력의 변화를 낮추는 원인을 찾아 노즐 목에서 발생하는 공동 현상 범위를 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 노즐 각도를 4-24˚까지 변화하며 해석을 수행하였다. Fig.
이젝터의 목적이 1차측 액체를 이용하여 주변의 유체를 다른 곳으로 보내는 것인 만큼, 구동 유량 비 흡입유량이 많을수록 높은 성능을 갖는다. 이젝터 성능지표인 유량비는 혼합챔버 내부의 공간, 혼합챔버의 각도, 혼합챔버 내부에서 발생하는 재순환현상 등에 영향을 받기 때문에 이에 영향을 주는 인자들을 선정하였다.
인자별 해석을 위한 경계조건은 압력조건으로 설정하였다. 1차측 액체의 압력은 400kPag, 흡입구와 출구 압력은 대기압으로 설정하여 1차측 액체의 흐름에 따른 이젝터 내부의 유동 특성을 분석하였다.
해석 모델의 결과 신뢰성을 얻기 위해 주관기관에서 제공하는 실험데이터와 본 연구의 2차원 축대칭 형상의 해석결과를 비교하였다. 200-500 kPag의 구동압력별 구동유량 실험데이터와 해석 결과의 구동유량은 Fig.
혼합챔버의 각도변경은 공동현상 발생영역에는 영향을 미치지 못하지만 유량비 변화폭을 늘릴 수 있다. 혼합챔버 유입 각도를 25-39˚ 범위에서 변경하면서 해석을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
공동현상은 이젝터의 구동노즐 목에서 심하게 발생하기 때문에 그 영역이 최소화 되어야 한다. 기준이 되는 형상의 노즐 목 길이는 1mm이며, 노즐 목 유입부에서 공동현상이 시작되고 전파되기 때문에, 노즐 목에서 공동현상 영역에 영향을 주는 인자를 선정하였다.
이론/모형
1차측 액체의 압력은 400kPag, 흡입구와 출구 압력은 대기압으로 설정하여 1차측 액체의 흐름에 따른 이젝터 내부의 유동 특성을 분석하였다. Fluent 13.0을 사용하였으며 이젝터를 흐르는 유동은 난류모델인 Realizable k-ɛ Model을 사용하였다. 이젝터를 흐르는 유체는 가솔린이다.
성능/효과
(1) 인자별 결과 비교를 통해 노즐직경 비가 0.06인 경우 최대 유량비를 보였고, 공동현상 발생영역 또한 가장 적었다. 이를 통해 노즐직경비가 유량비와 공동현상 발생영역에 가장 큰 영향을 주는 인자로 판단된다.
(2) 혼합챔버 각도가 35°일 때 유량비가 15.9까지 증가하며, 노즐 반지름에 이어 고효율 유량비를 만족하는 인자로 판단된다.
해석 모델의 결과 신뢰성을 얻기 위해 주관기관에서 제공하는 실험데이터와 본 연구의 2차원 축대칭 형상의 해석결과를 비교하였다. 200-500 kPag의 구동압력별 구동유량 실험데이터와 해석 결과의 구동유량은 Fig. 5의 차트에 나타냈으며, 구동압력의 증가에 따라 오차율은 9.7%에서 18.8%까지 증가하였지만, 데이터 증가 경향은 일치하였다. 본 실험적 검증을 통해 변경된 형상의 해석과 실험적 결과의 경향성 변화추이가 일치함을 확인하였다.
4는 전산해석을 위한 격자생성으로 구동노즐과 혼합 챔버 부분의 격자를 보여준다. 각 인자에 따른 형상이 변하기 때문에 58486개에서 69683개까지 격자를 생성하였으며, Orthogonal Quality가 평균 0.99, Skewness의 평균이 0.07 등으로 원활환 전산해석 진행이 가능했다.
절대량의 증가와 달리 유량비로 비교 시, 노즐직경 비가 작을수록 유량비효율이 증가하였다. 그리고 공동현상 발생 시점도 노즐직경 비가 작을수록 감소하는 결과를 얻었다. 노즐직경 비가 증가할수록, 혼합 챔버에서의 재순환 현상의 세기가 증가하였다.
12는 각도별 공동 현상 발생영역 변화를 나타내었다. 노즐 각도가 작을수록 유량비는 증가하지만, 공동현상 발생영역이 늘어나는 결과를 얻었다. 노즐 각도가 높을수록 흡입구 주변 재순환 현상이 심해지고, 벽 전단응력이 증가하여 흡입유량의 유입을 방해하기 때문에 유량비가 저해되는 것으로 판단된다.
20은 구동노즐의 거리별 유량비 비교 그래프이다. 노즐 거리 5 mm를 정점으로 최대의 유량비를 얻었고, 노즐 거리가 7 mm인 경우 유량비가 급격히 감소하는 결과를 얻었다. 이는 구동노즐의 거리가 멀어지게 되어 혼합 챔버의 벽이 재순환 유동을 유입시키는 기능을 정상적으로 수행하지 못해 1차측 액체가 2차측 액체를 끌어오는 성능이 저하되었기 때문으로 판단된다.
14는 노즐직경 비에 따른 노즐 목에서의 공동현상 영역 변화를 나타낸다. 노즐직경 비가 0.06에서 0.16까지 증가할수록 구동유량은 700%, 흡입유량은 287%까지 증가하였다. 절대량의 증가와 달리 유량비로 비교 시, 노즐직경 비가 작을수록 유량비효율이 증가하였다.
노즐 각도가 높을수록 흡입구 주변 재순환 현상이 심해지고, 벽 전단응력이 증가하여 흡입유량의 유입을 방해하기 때문에 유량비가 저해되는 것으로 판단된다. 또한, 노즐 각도가 작을수록 노즐 목이 연장되는 효과를 보여 공동현상 발생영역이 증가하였다.
8%까지 증가하였지만, 데이터 증가 경향은 일치하였다. 본 실험적 검증을 통해 변경된 형상의 해석과 실험적 결과의 경향성 변화추이가 일치함을 확인하였다. 이에 따라 2차원 축대칭 전산해석을 위해 변경한 형상이 본 연구에서 각 인자의 해석을 진행하기에 충분한 것으로 판단된다.
16까지 증가할수록 구동유량은 700%, 흡입유량은 287%까지 증가하였다. 절대량의 증가와 달리 유량비로 비교 시, 노즐직경 비가 작을수록 유량비효율이 증가하였다. 그리고 공동현상 발생 시점도 노즐직경 비가 작을수록 감소하는 결과를 얻었다.
후속연구
상기와 같이 유체의 상에 따라 설계변수에 따른 성능 특성이 달라지기 때문에, 액체상 이젝터 특성에 대한 구체적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 액체상 이젝터의 설계변수에 따른 이젝터 성능 특성을 이해하기 위해 2차원 축대칭 해석 모델을 개발하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이젝터는 어디에서 이용되는가?
무동력펌프의 일종인 이젝터는 압력을 갖는 유체를 노즐에서 분사하여 주위의 유체를 흡입 후 혼합유체를 외부 동력 없이 송출하는 장치이다. 구조가 간단하고 고장이 적어 여러 산업분야에서 이용되고 있으며, 자동차 산업에서는 연료주입용으로도 이용되고 있다. 대부분 이젝터는 가스상을 사용하기 때문에, 가스상 이젝터는 오래전부터 연구되어 왔다.
이젝터란?
무동력펌프의 일종인 이젝터는 압력을 갖는 유체를 노즐에서 분사하여 주위의 유체를 흡입 후 혼합유체를 외부 동력 없이 송출하는 장치이다. 구조가 간단하고 고장이 적어 여러 산업분야에서 이용되고 있으며, 자동차 산업에서는 연료주입용으로도 이용되고 있다.
액체상 이젝터의 단점은?
액체상 이젝터는 그 용도에 비해 아직 연구가 활발하지 못하다. 가스상 이젝터와 달리, 액체상 이젝터는 노즐목에서 부분적인 압력강하에의한 공동현상이 발생되고 이러한 공동현상은 부품파손을 유발하며, 소음을 발생시키는 원인이 되고 있다. 본 연구는 액체-액체상 이젝터의 최대 유량비와 공동현상 발생영역 비교를 위해 5가지 인자를 변경하여 2차원 축대칭 전산해석을 진행하였다.
참고문헌 (8)
Chen, X., Omer, S., Worall, M. and Riffat, S., 2013, "Recent Developments in Ejector Refrigeration Technologies," Renewable Sustainable Energy Reviews, Vol. 12, pp. 629-651.
Robert B. Power, 1994, Steam Jet Ejecors for the Process Industries, McGraw-Hill, New York, pp.1-498.
Jeong, H. M., Utomo, T., Jin, Z. H. and Chung, H. S., 2008, "A CFD Analysis on the Gas-Liquid Ejector," The Korean Socity for Power System Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 28-34.
Long, X., Yao, H. and Zhao, J., 2009, "Investigation on Mechanism of Critical Cavitating Flow in Liquid Jet Pumps Under Operating Limits," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, No. 9-10, pp. 2415-2420.
ji, M. K., Tony, U. M., Park, G. T., Jeong, H. M. and Chung, H. S., 2008, "Study on the Performance Characteristics of the Ejector Along the Diffuser Throat Length," The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 6, pp.575-580.
Hwang, I.-S., Joo, H.-J. and Kwak, H.-Y., 2010, "Analysis of the Ejector for Low-pressure Evaporative Desalination System Using Solar Energy," Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 6, pp. 137-143.
Mun, S.-B., Choi, H.-K., Choi, J.-H., Kwon, H.-J., Kim, K.-K. and Choi, S.-H., 2006, "Experimental Study for the Development of New Type Water Ejector," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 30, No. 6, pp. 667-684.
Caupin, F. and Herbert, E., 2006, "Cavitation in Water: a Review," Competes Rendus Physique, Vol. 7, No. 9-10, pp. 1000-1017.
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