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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 첫째, 노즐의 형상에 따른 분무 특성을 확인하기 위해 원형 노즐과 타원형 노즐 간의 분무특성을 비교하였으며, 두 번째로, 장축과 단축의 비가 다른 타원형 노즐 간의 분무특성을 비교함으로써, 원형노즐뿐만 아니라 형상비가 다른 타원형 노즐 간의 분무 유량, 액적크기, 유출계수 등의 분무특성을 살펴보았다.
- 더불어 기존의 압력분무 방식의 유출계수를 Effervescent이 유체 노즐에서 적용하기 위한 방법으로 Jedelsky가 제안한 이유체 노즐에서의 유출계수식과 비교해 이들의 차이를 비교하였다. 또한 본 연구를 통해 획득된 실험 데이터를 기반으로 Jedelsky의 유출계수 계산식에서 가장 큰 영향을 끼치는 변수인 ALR(Air to liquid mass ratio)을 통해 새로운 유출계수를 본 연구 실험식으로 도출하여 제안하고자 한다.
제안 방법
- 노즐로부터 분사되는 액적의 크기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-5, 측정범위(약 8~450 µm), 작동거리(400 mm 이내), Laser spot radius:3.9[pixel]), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하여 측정하였다.
- 또한 액체와 보조공기의 유량은 디지털 플로워 미터(SMC, PF2A711)와 데이터 획득 보드(NIDAQ-9172, National instruments)를 통해 실시간으로 유량의 값을 확인하였다. 노즐의 내부압력은 압력센서(Pressure transducer)를 이용해 값을 측정하였으며, 유량과 마찬가지로 데이터 획득보드를 사용해 실시간으로 그 값을 측정하였다. 유량과 노즐 내부압력은 유량, 압력센서의 값을 100 Hz로 샘플링 하여 5초간 측정한 값의 평균이다.
- 더불어 기존의 압력분무 방식의 유출계수를 Effervescent이 유체 노즐에서 적용하기 위한 방법으로 Jedelsky가 제안한 이유체 노즐에서의 유출계수식과 비교해 이들의 차이를 비교하였다. 또한 본 연구를 통해 획득된 실험 데이터를 기반으로 Jedelsky의 유출계수 계산식에서 가장 큰 영향을 끼치는 변수인 ALR(Air to liquid mass ratio)을 통해 새로운 유출계수를 본 연구 실험식으로 도출하여 제안하고자 한다.
- 보조공기의 공급은 컴프레서(Compressor)를 통해 가압되어 공급되었으며, 니들밸브를 통해 보조공기의 유량을 조절하여 실험을 진행하였다. 또한 액체와 보조공기의 유량은 디지털 플로워 미터(SMC, PF2A711)와 데이터 획득 보드(NIDAQ-9172, National instruments)를 통해 실시간으로 유량의 값을 확인하였다. 노즐의 내부압력은 압력센서(Pressure transducer)를 이용해 값을 측정하였으며, 유량과 마찬가지로 데이터 획득보드를 사용해 실시간으로 그 값을 측정하였다.
- 분사되는 액체의 유량은 니들밸브(Needle Valve)를 통해 2 kg/min으로 고정시켰다. 보조공기의 공급은 컴프레서(Compressor)를 통해 가압되어 공급되었으며, 니들밸브를 통해 보조공기의 유량을 조절하여 실험을 진행하였다. 또한 액체와 보조공기의 유량은 디지털 플로워 미터(SMC, PF2A711)와 데이터 획득 보드(NIDAQ-9172, National instruments)를 통해 실시간으로 유량의 값을 확인하였다.
- Effervescent 노즐은 중심축으로 액체(Liquid)가 공급되어 들어가고 노즐 양쪽으로 보조 공기(Air)가 들어가는 Outside-in air injection 타입과 노즐 중심축으로 보조 공기가 유입되고 노즐 양쪽으로 액체가 유입되는 Inside-out air injection 타입이 존재한다. 본 연구에선 Fig. 1과 같은 Outside-in air injection의 Effervescent 이 유체 노즐을 가지고 실험을 진행하였다.
- 실험 장치에서 액체의 공급은 약 10 bar의 압력으로 가압되는 질소가스를 이용해 서지탱크에서의 압력을 일정하게 가압하였다. 분사되는 압력은 서지탱크(Longer Pump, BT100-2J)와 질소가스통 사이에 존재하는 가스 압력 조정기(Pressure Regulator)를 이용해 압력을 조절하였다. 분사되는 액체의 유량은 니들밸브(Needle Valve)를 통해 2 kg/min으로 고정시켰다.
- 유량과 노즐 내부압력은 유량, 압력센서의 값을 100 Hz로 샘플링 하여 5초간 측정한 값의 평균이다. 분사되는 유체의 가시화를 위한 분사의 이미지 촬영은 CCD 카메라(View works, VM-2M 35)와 광원(Drelloscop 3020)을 사용하여 2 kg/min으로 고정된 액체유량 조건에서 보조 공기의 유량을 0.18 kg/min부터 0.03 kg/min으로 감소시키며 분무이미지를 촬영하였다. 노즐로부터 분사되는 액적의 크기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-5, 측정범위(약 8~450 µm), 작동거리(400 mm 이내), Laser spot radius:3.
- 또한 에어로레이터의 총 면적과 출구 오리피스의 면적을 면적비(Area Ratio)로 표현하였고, 자세한 수치는 Table 1에 나타내었다. 세 종류의 노즐은 면적비에 따라서 약 2, 4, 6의 에어로레이터 조합을 가지고 실험을 진행하였다.
- 3과 같은 실험실 규모의 분무 실험 장치를 구성하여 진행하였다. 실험 장치에서 액체의 공급은 약 10 bar의 압력으로 가압되는 질소가스를 이용해 서지탱크에서의 압력을 일정하게 가압하였다. 분사되는 압력은 서지탱크(Longer Pump, BT100-2J)와 질소가스통 사이에 존재하는 가스 압력 조정기(Pressure Regulator)를 이용해 압력을 조절하였다.
- 작동유체로는 상온의 물과 공기를 사용하였다. 실험은 액체 유량을 2 kg/min으로 고정시킨 채 공기 유량을 0.03~0.18 kg/min으로 조절하며 실험을 진행하였다. 이를 공기 질량유량과 액체 질량유량의 비인 ALR로 표현하였다.
- 18 kg/min으로 조절하며 실험을 진행하였다. 이를 공기 질량유량과 액체 질량유량의 비인 ALR로 표현하였다.
- 타원형 노즐은 형상비에 따른 비교를 하기 위해 장축과 단축의 비가 2:1인 E1노즐과 장축과 단축의 비가 3:1을 가진 E2노즐이다. 총 3가지의 노즐을 이용하여 비교실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 9[pixel]), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하여 측정하였다. SMD 측정은 노즐 팁(Tip)으로부터 200 mm 분무하류에서 분무선단 방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(Detector)에 수신하여 SMD를 획득하였다(11).
- 노즐 내부에 장착되는 에어로레이터(Aerorator)는 홀(Hole)의 직경을 1.2, 1.7, 2.1 mm로 구분하여 실험을 진행하였다. 각각의 에어로레이터는 총 12개의 홀을 가지고 있다.
- 실험에 사용한 노즐은 아크릴로 제작된 Effervescent 노즐이다. Lefebvre(10)에 따르면 Effervescent 형식의 노즐은 노즐 내부의 갑작스러운 압력강하로 인하여 다른 이유체 노즐에 비해 미립화 특성이 우수한 것으로 나타났다.
- 실험을 위해 Fig. 2과 같이 출구 오리피스 직경이 3 mm인 원형노즐(C)과 원형노즐과 거의 동일한 출구 면적을 갖는 타원형 노즐(E1, E2)을 제작하였다. 타원형 노즐은 형상비에 따른 비교를 하기 위해 장축과 단축의 비가 2:1인 E1노즐과 장축과 단축의 비가 3:1을 가진 E2노즐이다.
- Table 2는 실험에 사용된 작동유체의 조건을 나타난 표이다. 작동유체로는 상온의 물과 공기를 사용하였다. 실험은 액체 유량을 2 kg/min으로 고정시킨 채 공기 유량을 0.
성능/효과
- (1) ALR에 따른 노즐 평균 내부 압력은 E2 노즐이 C 노즐보다 약 12.3% 높은 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 노즐에 관계없이 에어로레이터 면적에 따른 노즐 내부압력의 차이는 크지 않은 것을 확인하였다.
- (2) 압력 분무 방식의 유출계수와 Jedelsky가 제안한 이유체 노즐 유출계수를 비교한 결과 약 3~4배 정도 차이가 있음을 확인하였고, 본 연구를 통해 ALR만을 고려한 유출계수 식을 제안하였다.
- (3) SMD는 C 노즐에서 E1, E2 노즐 순으로 작은 값을 가지며, C가 E2의 SMD보다 약 11.1%큰 것을 확인하였다. 이는 노즐 형상에 따른 내부 압력과 유출계수의 영향으로 판단된다.
- 또한 C에서 E1, E2노즐 순으로 SMD가 감소한다. C노즐에서의 SMD가 E1노즐보다 전영역에서의 평균 SMD는 약 5.2% 크며, E2 노즐보다는 11.1% 큰 것을 확인하였다. 타원형 형상비에 따른 SMD는 E1이 E2노즐보다 약 5.
- 또한 원형노즐 C보다 E1, E2노즐 순으로 전 영역에 걸쳐서 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 보였다. 동일한 노즐에서 에어로레이터의 변화에 따른 노즐내부압력의 차이가 약 3%가량으로 크지 않음을 확인하였다. 따라서 노즐내부압력은 에어로레이터 면적의 차이보다 원형 또는 타원형 노즐 등의 출구 오리피스의 형상이 분무특성에 더 큰 영향을 줄 것으로 예상된다.
- 또한 Fig. 5의 그래프에서 C보다 E1이 전 영역에 걸쳐서 평균내부압력이 약 5.7% 높으며, E2노즐에서는 약 12.3% 평균내부압력이 더 높은 것을 확인하였다. 타원형 노즐 간에는 형상비가 큰 E2노즐이 E1노즐보다 전 영역에 걸친 평균 내부압력이 약 6.
- 모든 그래프에서 ALR이 증가할수록 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 원형노즐 C보다 E1, E2노즐 순으로 전 영역에 걸쳐서 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 보였다. 동일한 노즐에서 에어로레이터의 변화에 따른 노즐내부압력의 차이가 약 3%가량으로 크지 않음을 확인하였다.
- Figure 4는 ALR이 증가함에 따라 노즐 내부의 압력을 확인한 그래프이다. 모든 그래프에서 ALR이 증가할수록 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 원형노즐 C보다 E1, E2노즐 순으로 전 영역에 걸쳐서 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 보였다.
- Figure 9은 ALR에 따른 SMD를 나타낸 그래프이다. 모든 노즐에서 ALR이 증가할수록 SMD 값이 감소하는 경향을 갖고, 에어로레이터의 변화에 따라 SMD의 영향은 크지 않음을 확인하였다. 또한 C에서 E1, E2노즐 순으로 SMD가 감소한다.
- 3% 높은 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 노즐에 관계없이 에어로레이터 면적에 따른 노즐 내부압력의 차이는 크지 않은 것을 확인하였다. 따라서 노즐 내부압력은 에어로레이터 총 면적보다 출구오리피스 형상에 영향을 더 받는다.
- 3% 평균내부압력이 더 높은 것을 확인하였다. 타원형 노즐 간에는 형상비가 큰 E2노즐이 E1노즐보다 전 영역에 걸친 평균 내부압력이 약 6.2% 높은 것으로 나타났다.
- 1% 큰 것을 확인하였다. 타원형 형상비에 따른 SMD는 E1이 E2노즐보다 약 5.5% 큰 것을 확인하였다. 이러한 노즐 형상에 따른 SMD 차이는 Fig.
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