[논문]고온벽과 충돌하는 나노유체 액적 거동에 관한 연구

김으뜸; 박인한; 배녹호; 강보선

doi:10.15435/jilasskr.2015.20.1.7

고온벽과 충돌하는 나노유체 액적 거동에 관한 연구
A Study on the Behavior of Nano-fluid Droplet Impacting Upon a Hot Surface 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.20 no.1, 2015년, pp.7 - 13

김으뜸 (전남대학교 기계공학부) , 박인한 (전남대학교 기계공학부) , 배녹호 (전남대학교 기계공학부) , 강보선 (전남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the behavior of water or nanofluid droplets impacting upon a hot surface was investigated by visualization of impacting phenomena with time-delayed photographic technique. Changing the mass ratio of nanofluid and the temperature of the heated surface, the characteristics of the spreading behavior and the diameter of spreading liquid film was compared between water and nanofluid droplets. The impacting droplet spreaded as a liquid film after impact and nanofluid droplets spreaded more widely than water droplets. After reaching the maximum diameter, water droplets shrinked more than nanofluid droplets. Based on this, the heat transfer area from a hot surface to impacting nanofluid droplets would be wider than that of impacting water droplets. Considering individual impacting droplet only, spray cooling using nanofluid would be better than using water.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 나노유체를 사용한 분무냉각특성해석의 기초적인 자료를 제공하기 위하여, 물과 나노유체 액적이 고온벽과 충돌하는 현상을 시간지연촬영법으로 가시화하여 거동 특성을 비교, 분석하였다. 나노유체의 질량비와 고온벽의 온도를 변화시키며, 액적이 고온벽과 충돌 후 거동 특성 및 확산, 수축하는 액막의 직경 변화를 측정하여, 물과 나노유체 액적의 충돌 후 거동 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 물과 나노유체의 분무냉각성능 차이를 예측하기 위하여, 고온벽과 충돌하는 물과 나노유체 액적의 충돌 후 거동을 시간지연촬영법으로 가시화하고, 고온벽의 온도와 나노입자 질량비 변화에 따른 거동을 분석하였다.

제안 방법

고온벽의 재질은 구리이며, 면적은 25 mm × 25 mm이다. 가열을 위해 카트리지 히터(D=10 mm, L=70 mm, 250 W) 3개가 사용되었으며 슬라이닥스에서 전압을 조절하여 고온 벽면온도를 변경시켰다. 고온 벽면온도는 표면에서 깊이 방향으로 심어진 3개의 열전대(K Type, D=1.
본 연구에서는 나노유체를 사용한 분무냉각특성해석의 기초적인 자료를 제공하기 위하여, 물과 나노유체 액적이 고온벽과 충돌하는 현상을 시간지연촬영법으로 가시화하여 거동 특성을 비교, 분석하였다. 나노유체의 질량비와 고온벽의 온도를 변화시키며, 액적이 고온벽과 충돌 후 거동 특성 및 확산, 수축하는 액막의 직경 변화를 측정하여, 물과 나노유체 액적의 충돌 후 거동 특성을 분석하였다.
0%이다. 물과 나노유체의 밀도, 점도, 표면장력은 직접 측정하였다. 밀도는 플라스크를 이용하여 무게를 재어 측정하였고, 점성계수는 DV-III Ultra Rheometer(Brookfield Eng.
)를 이용하여 측정하였으며 사용 유체의 측정값은 Table 1에 나타내었다. 실험 변수는 고온벽의 온도 T_w=80℃와 120℃, 물과 나노유체의 질량비 0.5, 1%인 경우에 대해 실험을 수행하였고, 실험 조건은 Table 2에 나타내었다.
5 mm)로 측정되었다. 충돌 액적의 크기와 속도는 고온벽과 충돌 직전에 촬영한 두 액적 이미지를 분석하여 계산하였다.

대상 데이터

고온벽의 재질은 구리이며, 면적은 25 mm × 25 mm이다.
나노유체에 사용한 나노 입자는 알루미나(Al₂O₃)이며 평균 직경은 30 nm이다. 나노유체는 입자를 해당 질량비로 물과 잘 섞은 후 초음파에너지를 가하여 입자간의 응집성을 최대한 제거하였다.

이론/모형

12는 액적이 충돌 후 확산, 수축되는 액막의 시간에 따른 무차원 액막 직경의 변화를 나타내고 있으며 Table 3은 무차원 액적 직경의 최대값을 보여주고 있다. 액적 직경은 Inspector(Matrox)를 사용하여 측정하였으며, 측정오차는 길이 측정 시 좌, 우측 1개씩, 2개의 화소 오차를 가정하면, 픽셀 1개의 실제 길이를 나타내는 환산계수에 의해 0.1 mm가 된다.
액적의 고온벽면 위 충돌 거동을 가시화하기 위하여 시간지연촬영법을 사용하였다. 시간지연촬영법은 떨어지는 액적을 광센서가 감지하여 감지 순간부터 지연시간을 다르게 하면서 충돌 액적을 촬영하는 기법이다.

성능/효과

T_w=80℃에서 물 액적은 나노유체 액적들보다 최대직경이 가장 낮았으며, 가장 많이 수축하였다. 나노유체 액적들은 최대로 확장한 후 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 실험에서 고온벽과 충돌하는 물과 나노유체 액적을 연구한 결과, 어떻게 나타났는가?	물과 나노유체 액적들은 고온벽과 충돌 후 액막으로 퍼지면서 최대직경에 도달한 후 나노유체 액적들은 약간 수축되었지만, 물 액적은 많이 수축되었다. 나노입자 질량비가 높아질수록 확장 액막은 더 퍼져서 최대직경은 더 커지는 경향을 보였다. 또한, 고온벽면의 온도가 높은 경우가 액막이 더 넓게 퍼지면서 비등 현상이 활발히 발생하였다. 분무냉각시 개별 액적의 충돌 거동만을 고려한다면, 물보다는 질량비가 높은 나노유체가 더 넓게 확산되면서 고온벽과의 열전달 면적의 증가로 냉각성능이 더 좋을 것으로 예측된다.
	C. D. Martinez는 나노유체가 물보다 단상 열전달이 좋은 이유를 어떻게 설명했는가?	D. Martinez(6)는 알루미나(Al2O3) 나노유체를 사용한 경우 물과 비교하여 단상 열전달이 42% 정도 증가하며 이는 나노입자로 인해 액적의 고온면과의 접촉각이 증가하고 더 오래 고온면과 접촉하기 때문으로 설명하였다. Zhu 등(7)은 비등현상이 없는 단상 열전달 영역에 대한 분무냉각실험에서 티타늄디옥사이드 (TiO2) 나노유체를 사용한 경우가 물에 비해 열전달계수가 35% 정도 증가함을 보였다.
	액적의 고온벽과의 충돌 특성에 영향을 미치는 요인에는 무엇이 있는가?	단일 액적이 고체 벽면과 충돌하는 현상은 분무 냉각, 분무 도장, 내연기관의 연료 분사, 잉크젯 프린팅, 분무성형, 스프링클러의 화재 소화 등 다양한 분야에서 응용되고 있으며(1,2), Rein(3), Yarin(4), Moreira 등(5)은 이 주제에 대한 종합적인 내용을 소개하고 있다. 액적의 고온벽과의 충돌 특성은, 고온벽의 온도 Tw, 액적의 조건(직경 D0, 속도 V, 충돌 각도), 유체의 특성(밀도 ρ, 점도 µ, 표면 장력 σ), 고체 표면의 거칠기 정도 등의 변수에 따라 다양하고 복잡한 거동특성을 나타낸다. 이 현상과 관련된 무차원 변수들은 Weber 수 (We=ρD0V2/σ), Ohnesorge 수(Oh=We1/2/Re=µ/(ρσD0)1/2) 등이다.

참고문헌 (9)

C. Crowe, M. Sommerfeld and Y. Tsuji, "Multiphase Flows with Droplets and Particles", CRC, Boca Raton, 1998.
A. H. Lefebvre, "Atomization and Sprays", Hemisphere, New York, 1989.
M. Rein, "Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces", Fluid Dyn. Res., Vol. 12, 1993, pp. 61-93.

상세보기
A. L. Yarin, "Drop impact dynamics: splashing, spreading, receding, bouncing", Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 38, 2006, pp. 159-192.

상세보기
A. L. N. Moreira, A. S. Moita and M. R. Pana, "Advances and challenges in explaining fuel spray impingement: How much of single droplet impact research is useful?", Prog. in Energy and Comb. Sci., Vol. 36, 2010, pp. 554-580.

상세보기
C. D. Martinez, "Heat transfer enhancement of spray cooling with nanofluids", MS Thesis, University of South Florida, 2009.
D. S. Zhu, J. Y. Sun, S. D. Tu, and Z. D. Wang, "Experimental study of non-boiling heat transfer by high flow rate nanofluids spray", The 6th Int. Symp. on Multiphase Flow, Heat Mass Transfer and Energy Conversion, AIP Conference Proceedings, 2010, pp. 476-482.
H. Bellerova, M. Pohanka, M. Raudensky, and A. A. Tseng, "Spray cooling by $Al_2O_3$ and $TiO_2$ nanoparticles in water", Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, Las Vegas, NV, 2010.
T. B. Chang, S. C. Syu, and Y. K. Yang, "Effects of particle volume fraction on spray heat transfer performance of $Al_2O_3$ -water nanofluid", Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, 2012, pp. 1014-1021.

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