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문제 정의
- 본 연구에서는 높은 공간 및 시간 분해능을 갖는 적외선 열화상 기법을 활용하여 Leidenfrost 온도 이상으로 가열된 벽면과 충돌하는 단일 액적의 온도가 열전달 특성에 미치는 영향에 관한 실험을 수행하였다. 실험 수행 시 동기화된 초고속 카메라 및 적외선 카메라를 활용하여 액적의 충돌 거동 및 벽면 표면의 국소적인 온도 변화를 관측하여, 액적의 온도 변화에 따른 국소 열유속 및 증기막 두께를 분석하였다.
가설 설정
- Leidenfrost 온도 이상으로 가열된 벽면과 충돌하는 액적은 증기막을 통한 전도 및 복사에 의해 열전달이 일어난다. 온도가 500o C인 백금 표면으로부터 방출되는 복사열은 약 1.9 kW/m2 으로 충돌 영역 내 열유속의 1% 미만이기 때문에, 액적-벽면 충돌 열전달 시 주요 메커니즘은 증기막을 통한 전도라고 가정할 수 있다. 증기와 액적의 경계면에서 온도는 포화상태라고 가정하면, 열전도식으로부터 증기막의 두께는 아래와 같이 계산된다(10,11).
제안 방법
- 과도 열전도 해석 시 일정한 열전도계수의 사용으로부터 오게 되는 평균 오차는 약 5%였다. IR 카메라를 활용한 표면 온도의 측정은 K형 열전대를 사용하여 미리 보정하였다. 이는 IR 카메라에 의한 표면의 국소적인 온도 측정 값에 동일한 오차(±0.
- Leidenfrost 온도 이상의 액적이 벽면과 충돌할 때, 액적과 벽면 사이에 액체의 증발에 의해 증기막이 발생하며 막비등을 형성한다. 본 연구에서는 Leidenfrost 이상 온도인 500oC로 가열된 벽면에 2 mm 지름의 액적이 0.7 m/s의 속도로 충돌할 때, 액적의 온도를 40oC에서 100oC까지 변화시키며 충돌 특성과 표면 온도 분포를 측정하였다. 이로부터 액적의 막비등 열전달 특성에 대해 체계적으로 분석하였으며, 이로부터 도출된 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 높은 공간 및 시간 분해능을 갖는 적외선 열화상 기법을 활용하여 Leidenfrost 온도 이상으로 가열된 벽면과 충돌하는 단일 액적의 온도가 열전달 특성에 미치는 영향에 관한 실험을 수행하였다. 실험 수행 시 동기화된 초고속 카메라 및 적외선 카메라를 활용하여 액적의 충돌 거동 및 벽면 표면의 국소적인 온도 변화를 관측하여, 액적의 온도 변화에 따른 국소 열유속 및 증기막 두께를 분석하였다.
- 액적의 지름은 고속 카메라를 통해 관측된 벽면과 충돌하기 직전의 가시화 결과로부터 측정하였으며, 측정 오차는 68µm이다.
- 여기서 kv는 증기막의 열전도도를 나타내며, 본 실험에서 액적 표면온도와 벽면 온도의 산술평균인 300oC일 때 과열증기의 열전도도를 이용하여 계산을 수행하였다.
- 7 m/s의 속도로 충돌할 때, 액적의 온도를 40oC에서 100oC까지 변화시키며 충돌 특성과 표면 온도 분포를 측정하였다. 이로부터 액적의 막비등 열전달 특성에 대해 체계적으로 분석하였으며, 이로부터 도출된 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 1은 액적-벽면 충돌 열전달 실험장치의 개략도이다. 실험 장치는 액적 생성 장치, 사파이어 시편, 그리고 가시화 카메라로 구성되어 있다. 실험은 대기압에서 수행되었으며, 액적이 벽면과 충돌하는 순간에 변화하는 표면의 온도 분포 및 액적의 거동 특성을 관측하기 위하여 동기화된 적외선 카메라(FLIR SC6000, 3~5 µm) 및 고속카메라(Phantom v7.
- 실험은 대기압에서 수행되었으며, 액적이 벽면과 충돌하는 순간에 변화하는 표면의 온도 분포 및 액적의 거동 특성을 관측하기 위하여 동기화된 적외선 카메라(FLIR SC6000, 3~5 µm) 및 고속카메라(Phantom v7.3)를 활용하였다.
이론/모형
- . 본 연구에서는 Sobel edge detection method(12)를 활용하여 열유속 구배로부터 열전달 면적을 측정하였다.
성능/효과
- • 실험 범위 내에서 액적의 온도가 증가함에 따라 충돌시간은 감소하고, 유효 열전달 면적은 거의 일정하였으며, 평균 증기막 두께는 증가하는 경향성을 나타내었다.
- • 액적 온도의 증가에 따른 충돌시간의 감소 및 증기막 두께의 증가로 막비등 영역에서 주요 열전달 기구인 전도 열전달이 감소하는 효과를 보였다.
- 4 ms일 때 최대 열전달율을 가졌다. 2.4 ms일 때의 결과는 열전달 면적이 최대가 되는 순간으로, 액적의 온도에 상관없이 열전달 면적은 동일하지만 액적의 온도가 감소할수록 증기막 두께는 감소하여 열전달율은 증가하였다.
- (3)에 의해 기 보고된 바 있다. 5.31 ms 이후의 열유속은 액적의 온도가 증가할수록 급격히 감소하였으며, 액적은 벽면으로부터 다소 빠르게 이탈하는 경향을 보였다.
- 식 (2)를 통해 계산되는 평균 증기막 두께의 불확실성은 증기막의 열전도도, 열유속, 그리고 온도차에 의한 불확실성으로부터 초래한다. 각 불확실성들에 의해 증기막 두께가 갖는 최대 불확실성은 약 25%였다.
- 6 W/moC이다. 과도 열전도 해석 시 일정한 열전도계수의 사용으로부터 오게 되는 평균 오차는 약 5%였다. IR 카메라를 활용한 표면 온도의 측정은 K형 열전대를 사용하여 미리 보정하였다.
- 충돌과 동시에 표면의 온도는 액적의 온도가 낮을수록 급격히 낮아지는 경향을 보였다. 국소적인 온도 강하는 액적 온도가 42oC일 때 약 80oC로 가장 컸으며, 100oC일 때 약 5oC로 가장 낮게 나타났다. 약 0.
- 3은 본 연구에서 액적의 온도를 변화시키면서 측정한 액적의 충돌 시간 측정 결과를 나타낸다. 실험 결과 충돌 시간은 액적 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. Fig.
- 77 ms까지는 영역별로 열유속 값에 큰 차이를 보이지 않았으나, 액적의 최대 지름에 도달한 약 3 ms일 때 중심 영역에서 높은 열유속이 나타났다. 액적의 과냉도가 클수록 높은 열유속을 띄는 영역은 전 영역에 걸쳐 나타났으며, 국소적으로 매우 큰 열유속을 갖는 영역이 나타났다. 이는 액적의 높은 과냉도로 인해 증발이 덜 활발하게 일어나 증기막이 얇게 형성되고 결과적으로 열유속이 크게 향상된 것으로 해석된다.
- 여기서 열전달 효율은 액적이 제거할 수 있는 총 에너지(액적이 완전히 증발되는데 필요한 에너지, mdhfg') 대비 액적이 실제로 충돌하는 동안 제거한 에너지(Ed)가 얼마인지를 뜻한다. 액적의 열전달효율은 액적의 온도가 감소함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 포화상태의 액적과 40oC의 액적의 결과는 약 10배의 차이를 보였다. 앞서 언급한 바와 같이, 액적의 과냉도는 충돌하는 도중 형성되는 증기막의 두께를 감소시켜 열유속을 증가시키게 되고, 충돌시간 및 국소 열전달 면적의 증가를 초래하여 열전달 효율을 증가시키게 되었다.
- 8은 액적 온도별 시간에 따른 열전달율을 나타낸다. 액적의 온도가 감소할수록 열전달율은 증가하는 경향을 보였다. 이는 낮은 액적의 온도로 인해, 충돌과정동안 형성되는 증기 양의 급 감에 의해 증기막의 두께가 감소하였기 때문이다.
- 이후 벽면의 온도는 서서히 복원되기 시작했다. 액적의 온도가 높을수록 표면의 온도 변화 및 최소 온도에 도달하는 시간은 서서히 감소하였으며, 복원되기 시작하는 시점 또한 감소하였다. 이러한 결과는 Inada et al.
- 액적이 충돌 후 되튀기면서 벽면으로부터 이탈하는 과정에서 열유속은 감소하는 경향을 보였으며, 액적의 온도가 낮을수록 열유속이 서서히 감소하였다. 또한, 액적의 되튀김이 시작되는 4.
- 액적이 퍼지는 동안(0~3 ms) 액적의 온도별 열유속 분포를 보면, 1.77 ms까지는 영역별로 열유속 값에 큰 차이를 보이지 않았으나, 액적의 최대 지름에 도달한 약 3 ms일 때 중심 영역에서 높은 열유속이 나타났다. 액적의 과냉도가 클수록 높은 열유속을 띄는 영역은 전 영역에 걸쳐 나타났으며, 국소적으로 매우 큰 열유속을 갖는 영역이 나타났다.
- 국소적인 온도 강하는 액적 온도가 42oC일 때 약 80oC로 가장 컸으며, 100oC일 때 약 5oC로 가장 낮게 나타났다. 약 0.6ms일 때, 최소 표면 온도는 액적의 온도가 68oC 미만인 경우 약 480oC로 유사한 값을 보였으며, 이후 충돌하여 액적이 퍼짐(spreading)과 되감김(recoil)이 일어나는 0.6~6 ms 동안 액적 상단부의 2차적인 국소 충돌로 인해 표면의 온도는 한번 더 감소하였다. 이후 벽면의 온도는 서서히 복원되기 시작했다.
- 열전달 현상의 시간적 변화를 보면, 충돌 초기(0.59ms)에 액적이 벽면과 부딪히면서 높은 열유속이 나타났으며, 액적이 최대 지름까지 퍼지는 동안(0.59~2.95ms) 열유속은 중심 영역에서 높게, 가장자리 부근에서 상대적으로 낮게 나타나는 경향을 보였다. 이후 액적이 수축되면서 벽면을 이탈하는 동안 중심영역에서는 낮은 열유속을 띄다가 다시 높은 열유속을 띄는 경향을 보였다.
- 액적의 거동에 대해서 전반적으로 살펴보면, 액적의 온도가 증가함에 따라 충돌시간은 감소하는 반면 액적의 지름 변화는 액적의 온도에 상관없이 유사한 특성을 나타내었다. 전반적인 열전달 특성의 경우, 액적의 온도가 올라갈수록 열유속 및 온도 강하는 감소하는 경향을 보였다.
- 충돌이 발생하는 0.5 ms일 때, 액적의 온도가 낮을수록 열전달율은 높게 나타났으며, 이후 액적이 퍼져나가는 동안 열전달율의 증가율은 서서히 감소하여 2.4 ms일 때 최대 열전달율을 가졌다. 2.
- 충돌이 발생한 0.59 ms의 결과를 보면 대체적으로 높은 열유속을 보였다. 이때 액적의 온도가 낮아질수록 열유속은 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
- • 향후 벽면-액적 충돌 열전달 예측을 위해서는 액적 온도의 영향을 고려한 보다 정교한 모델링이 수반되어야 할 것으로 판단된다.
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