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가설 설정
- 이 때 기체구는 밀도가 높은 CNG로 이루어진 것으로 가정한다. 그리고 이 기체구는 코어지역을 지나면 한꺼번에 증발하며 이 때 증발잠열은 없는 것으로 가정한다. Witze (7,8) 등은 비점성으로 가정하는 코어 지역을 인젝터 노즐 출구에서부터 코어 길이까지 영역으로 정의하였고 코어 길이는 아래 수식과 같이 정의된다.
- Figure 1의 기체구 분사모델 개념도에 나타난 바와 같이 기체구 분사모델에서는 액체분사모델과 마찬가지로 기체구를 분사시킨다. 이 때 기체구는 밀도가 높은 CNG로 이루어진 것으로 가정한다. 그리고 이 기체구는 코어지역을 지나면 한꺼번에 증발하며 이 때 증발잠열은 없는 것으로 가정한다.
- 코어 지역에서는 기체구의 온도가 변하지 않고 증발이 일어나지 않는 것으로 가정하였고 코어 길이는 인젝터 노즐 반지름 크기에 따라서 결정된다.
제안 방법
- (1) 가스구 분사모델을 KIVA-3V 코드에 적용하였고 난류모델은 RNG k-ε 난류모델을 수정하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 CNG DI 엔진에서 가스연료분사를 모사할 수 있는 수치해석 모델기법을 연구하고 실험과 비교 후 모델검증을 수행하였다. CNG 직분사 수치해석에 관한 기존 연구들을 살펴보면 CNG 직분사를 모사하기 위하여 인젝터 노즐 주변의 격자를 인젝터 노즐 크기보다 작은 크기의 격자로 구성하여 수치해석을 수행하였다(3,4). 그러나 Hessel (5)등은 일반적으로 엔진 수치해석에서 사용하는 격자 크기에서 가스분사를 모사할 수 있는 기체구 분사 모델을 제안하였다.
- 레이져에 의하여 가스 분사의 아세톤이 발광을 하고 이를 CCD(charge coupled device) 카메라로 이미지를 취득하였다. 가스분사는 GDI 단공 인젝터를 이용하여 분사하였다.
- 난류모델은 RNG k-ε 난류모델을 수정하여 사용하였다.
- 아세톤은 329K의 낮은 끓는점과 높은 포화압력을 가지고 있고 독성이 없기 때문에 seed 로서 적절한 물질이다. 레이져는 266 nm 파장과 50 mJ/ pulse 에너지로 조사하였고 볼록렌즈 및 오목렌즈를 설치하여 평면광으로 만들었다. 레이져에 의하여 가스 분사의 아세톤이 발광을 하고 이를 CCD(charge coupled device) 카메라로 이미지를 취득하였다.
- 레이져는 266 nm 파장과 50 mJ/ pulse 에너지로 조사하였고 볼록렌즈 및 오목렌즈를 설치하여 평면광으로 만들었다. 레이져에 의하여 가스 분사의 아세톤이 발광을 하고 이를 CCD(charge coupled device) 카메라로 이미지를 취득하였다. 가스분사는 GDI 단공 인젝터를 이용하여 분사하였다.
- 본 연구에서는 CNG DI 엔진에서 가스연료분사를 모사할 수 있는 수치해석 모델기법을 연구하고 실험과 비교 후 모델검증을 수행하였다. CNG 직분사 수치해석에 관한 기존 연구들을 살펴보면 CNG 직분사를 모사하기 위하여 인젝터 노즐 주변의 격자를 인젝터 노즐 크기보다 작은 크기의 격자로 구성하여 수치해석을 수행하였다(3,4).
- Schlieren 기법은 기체의 밀도차를 광학적으로 분석하여 기체분사 이미지를 취득하고 PLIF 기법은 기체에 레이져 특정 파장에서 발광하는 seed를 섞어서 분사하여 레이져 조사시 발광하는 빛을 취득하여 분사 이미지를 취득한다. 본 연구에서는 Schlieren 기법에 비하여 이미지 선명도가 높은 PLIF 기법을 이용하여 기체 분사 이미지를 취득하였다. Fig.
- 그러나 Hessel (5)등은 일반적으로 엔진 수치해석에서 사용하는 격자 크기에서 가스분사를 모사할 수 있는 기체구 분사 모델을 제안하였다. 본 연구에서는 이모델을 KIVA-3V 코드 (6)에 적용하여 CNG 직분사 수치 해석을 수행하였고 가스분사실험을 통하여 모델을 검증하였다.
- 분무파형은 사각파로 설정하여 분사율 및 분사속도를 계산하였다. 분무도달거리는 인젝터 노즐끝으로부터 수직거리를 측정하였으며 분사압력이 1 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 55 mm였고 2 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 5 mm였다. 수치해석으로 도출된 분무도달거리가 실험값의 결과와 잘 일치하는 경향을 보이며 기체구 분사모델의 신뢰성을 확보했다고 판단할 수 있다.
- 4 mm 이다. 분무파형은 사각파로 설정하여 분사율 및 분사속도를 계산하였다. 분무도달거리는 인젝터 노즐끝으로부터 수직거리를 측정하였으며 분사압력이 1 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 55 mm였고 2 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 5 mm였다.
- 4는 PLIF기법의 실험 장치도를 나타낸 것이다. 실험 안전상의 이유로 CNG를 직접 분사하지는 못하고 질소가스를 대신하여 분사하였다(9). 분사시 물리적 거동이 거의 비슷하기 때문에 질소가스로 대신한 것이 실험결과에 미치는 영향은 거의 없다고 판단하였다.
데이터처리
- (2) 기체구 분사 모델의 신뢰성 검토를 위하여 가스 분무 실험도 동시에 진행하여 수치해석 결과와 실험 결과를 비교·분석하였다.
- 기체구 분사 모델의 신뢰성 검토를 위하여 가스 분무 실험도 동시에 진행하여 수치해석 결과와 실험 결과를 비교·분석하였다.
이론/모형
- 단, 이 수정식은 분사기간동안에만 적용되고 분사기간 이후에는 기존의 RNG k-ε 난류모델을 적용하였다.
- 본 연구는 기체구 분사모델을 KIVA-3V 코드에 적용하여 수치해석 연구를 수행하였다. 기체구 분사 모델은 기존의 KIVA-3V 코드의 액체분사모델을 응용하여 사용할 수 있기 때문에 코드개발시간이 단축되고 성긴격자를 이용하여 가스분사를 모사할 수 있어 계산시간을 크게 단축시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
성능/효과
- (3) 기체구 분사모델은 일반적으로 엔진 수치해석에서 많이 이용되는 1~2 mm의 성긴격자에서도 기체연료의 분사를 잘 모사할 수 있기 때문에 기체연료 분사 및혼합기 형성과정, 연소까지 한번에 계산이 가능할 것으로 판단된다. 다만 코어 길이가 길 경우 초기 분무도달 거리를 과대 예측하는 경향을 보이기도 했다.
- RNG k-ε 난류모델은 CNG 직분사 해석시 확산을 과대 예측하는 경향이 있지만 수정된 모델은 실험 이미지와 비교하였을때 비교적 정확히 예측하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 사용한 기체구 분사모델은 성긴격자를 사용한 일반적인 가스 연료 수치해석에서 분무 거동을 잘 예측하는 결과를 보였으며 계산시간이 아주 짧은 장점을 가지고 있다. 향후 CNG 직접분사식 엔진의 연소 수치해석 연구에 활용이 가능할 것으로 예상된다.
- 9에서 분사압력은 1 MPa이다. 분사압력이 높고 분위기 압력이 낮을수록 최종 분무도달거리가 길어지고 분사압력이 낮고 분위기 압력이 높을수록 최종 분무도달거리가 짧아지는 일반적인 분무거동을 잘 예측하였다.
- 분무도달거리는 인젝터 노즐끝으로부터 수직거리를 측정하였으며 분사압력이 1 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 55 mm였고 2 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 5 mm였다. 수치해석으로 도출된 분무도달거리가 실험값의 결과와 잘 일치하는 경향을 보이며 기체구 분사모델의 신뢰성을 확보했다고 판단할 수 있다.
- 분무도달거리는 인젝터 노즐끝으로부터 수직거리를 측정하였으며 분사압력이 1 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 55 mm였고 2 MPa인 경우 최종 분무도달거리가 5 mm였다. 수치해석으로 도출된 분무도달거리가 실험값의 결과와 잘 일치하는 경향을 보이며 기체구 분사모델의 신뢰성을 확보했다고 판단할 수 있다.
후속연구
- (4) 기체구 분사모델은 계산시간이 아주 짧은 장점을 가지고 있고 향후 CNG 직접분사식 엔진의 연소 수치해석 연구에 활용이 가능할 것으로 예상된다. CNG 직분사, 혼합기 형성 과정 및 연소까지 한번에 계산이 가능할 것이다.
- 향후 CNG 직접분사식 엔진의 연소 수치해석 연구에 활용이 가능할 것으로 예상된다. CNG 직분사, 혼합기 형성 과정 및 연소까지 한번에 계산이 가능할 것이다.
- 채산성 부족으로 개발 되지 않고 있던 셰일가스는 수압파쇄법 등의 기술 개발로 채굴단가를 낮추어 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 고갈되고 있는 석유와 달리 셰일가스는 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하여 앞으로 지속적으로 사용 가능할 것으로 예상되며 내연기관을 사용하는 자동차산업 부분에서도 CNG(compressed natural gas) 연료 사용이 증가할 것으로 예상된다.
- 다만 성긴격자를 사용하였기 때문에 분무경계 부분에서 일어나는 난류유동의 형태는 모사할 수는 없다. 그러나 거시적인 분무형상을 비롯하여 분무도달거리, 분사압력에 따른 분무발달과정 등을 잘 모사하여 CNG 직접분사식 엔진의 수치해석 연구에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 기체구 분사모델은 일반적으로 엔진 수치해석에서 많이 이용되는 1~2 mm의 성긴격자에서도 기체연료의 분사를 잘 모사할 수 있기 때문에 Fig.
- 본 연구에서 사용한 기체구 분사모델은 성긴격자를 사용한 일반적인 가스 연료 수치해석에서 분무 거동을 잘 예측하는 결과를 보였으며 계산시간이 아주 짧은 장점을 가지고 있다. 향후 CNG 직접분사식 엔진의 연소 수치해석 연구에 활용이 가능할 것으로 예상된다. CNG 직분사, 혼합기 형성 과정 및 연소까지 한번에 계산이 가능할 것이다.
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