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문제 정의
- 이전의 선행연구 결과들[14,15]을 종합해보면 원형 노즐에서의 횡방향 수직분사 연구들은 활발히 수행되었으나, 아직까지 타원형 노즐에서의 액체 미립화 연구들은 부족한 상황이다. 따라서 타원형 노즐에서의 오리피스 형상 및 내부 유동 특성에 따른 횡방향 수직분사 실험들이 진행되고 있으며[16], 본 논문은 이를 위한 선행연구 결과로써 대기조건으로 분사되는 액체제트의 오리피스 형상, 노즐 길이, 분사압력에 따른 유동특성에 대하여 살펴보았다.
- Ahn 등[12]과 Song 등[13]은 공동현상과 수력튀김 현상이 액주 분열과정에어떠한 영향을 미치는지 관찰하고, 각 현상들에 대하여 유효지름, 유효속도 등의 개념을 제안하였다. 또한 PLLIF 기법을 이용하여 액적 영역의 분무구조에 있어 공동현상과 수력튀김 현상이 어떠한 영향을 주는지 연구하였다.
- 본 연구에서는 오리피스 길이가 다른 원형 노즐과 타원형 노즐을 이용하여, 공동현상과 수력 튀김 현상이 유동특성에 어떠한 영향을 주는지 살펴보았다. 유량계수는 노즐의 형상에 상관없이 공동현상이 발달되면 유량계수가 전반적으로 감소하며, 수력튀김이 발생하면 급격히 감소 후 일정해지는 현상을 나타내었다.
제안 방법
- 1은 유량계수 측정 및 유동 가시화를 위한 실험장치를 나타낸다. 고압 압축기로 압축된 공기와 레귤레이터를 이용하여 물을 일정 압력으로 분사기에 공급하였다. 실험 시 분사기 챔버내 물의 압력과 온도 측정을 위해 압력센서와 K-type 열전대를 사용하였다.
- 기존의 결과들[17]에 의하면, 각진 모서리를 갖는 오리피스에서 L/d > 8에서는 공동현상이, L/d ≤ 8에서는 수력튀김이 현상이 나타난다고 알려져 있다. 본 연구에서는 원형 노즐의 경우 L/d가 5, 10을 갖도록 설계하였으며,타원형 노즐의 경우 단축기준으로 L/b가 5, 10,장축기준으로 L/a가 10을 갖도록 설계하였다. 유량계수 측정 및 유동 가시화는 분사압력을 1 bar에서 10 bar까지 1 bar씩 증가시키며 측정하였고, 실험은 각 조건에서 2회씩 반복 수행되었다.
- 10에 도시하였다. 분무각 측정은 액주의 표면을 MATLAB 이미지 처리기법을 이용하여 분리한 후, 노즐 출구로부터 축방향으로 1.4 ㎜ 간격씩 7.0 ㎜까지 좌측, 우측 각각 5개의 측정 포인트를 연결하는 선을 구함으로써 계산되었다. 각 조건별로 40장의 이미지에서 데이터를 구하여 평균하였다.
- 유량계수 측정실험은 각 조건 당 60초씩 수행되었으며, 2회 반복하였다. 실험 시 분사기로 공급된 유량조건 중 일부분이 보유한 터빈 유량계들의 측정범위를 벗어나, 60초 동안 직접 물을 받아 전자저울(정밀도 2 g)로 측정하여 유량을 계산하였다. 유동 가시화를 위해 2개의 광원장치(Polarion, PS-X1)와 고속카메라(Vision Research, Phantom v9.
- 분사기는 원형 노즐을 갖는 2개와 타원형 노즐을 갖는 6개가 제작되었으며, 오리피스 입구는 곡률 없이 각지게 설계되었다. 오리피스는 슈퍼드릴 천공 후 와이어 방전가공을 통해 그 단면 형상을 가공하였다.
- 실험 시 분사기로 공급된 유량조건 중 일부분이 보유한 터빈 유량계들의 측정범위를 벗어나, 60초 동안 직접 물을 받아 전자저울(정밀도 2 g)로 측정하여 유량을 계산하였다. 유동 가시화를 위해 2개의 광원장치(Polarion, PS-X1)와 고속카메라(Vision Research, Phantom v9.1)를 이용하여, 분사기 출구로부터 분무되는 액체제트의 이미지를 촬영하였다. 분사기 오리피스의 직경이 작기 때문에 이미지 확대를 위해 매크로 렌즈를 사용하였다.
- 본 연구에서는 원형 노즐의 경우 L/d가 5, 10을 갖도록 설계하였으며,타원형 노즐의 경우 단축기준으로 L/b가 5, 10,장축기준으로 L/a가 10을 갖도록 설계하였다. 유량계수 측정 및 유동 가시화는 분사압력을 1 bar에서 10 bar까지 1 bar씩 증가시키며 측정하였고, 실험은 각 조건에서 2회씩 반복 수행되었다.
- 측정된 데이터는 100 Hz의 샘플링 속도로 NI-cDAQ를 이용하여 저장하였다. 유량계수 측정실험은 각 조건 당 60초씩 수행되었으며, 2회 반복하였다. 실험 시 분사기로 공급된 유량조건 중 일부분이 보유한 터빈 유량계들의 측정범위를 벗어나, 60초 동안 직접 물을 받아 전자저울(정밀도 2 g)로 측정하여 유량을 계산하였다.
- 실험 시 분사기 챔버내 물의 압력과 온도 측정을 위해 압력센서와 K-type 열전대를 사용하였다. 측정된 데이터는 100 Hz의 샘플링 속도로 NI-cDAQ를 이용하여 저장하였다. 유량계수 측정실험은 각 조건 당 60초씩 수행되었으며, 2회 반복하였다.
대상 데이터
- 0 ㎜까지 좌측, 우측 각각 5개의 측정 포인트를 연결하는 선을 구함으로써 계산되었다. 각 조건별로 40장의 이미지에서 데이터를 구하여 평균하였다. 분무각 0도를 기준으로 양수는 분무각이 커지는 경우, 음수는 분무각이 작아지는 경우를 의미한다.
- 1)를 이용하여, 분사기 출구로부터 분무되는 액체제트의 이미지를 촬영하였다. 분사기 오리피스의 직경이 작기 때문에 이미지 확대를 위해 매크로 렌즈를 사용하였다. 순간의 이미지를 촬영하기 위해 노출시간은 카메라의 설정 최소값인 2 ㎲로 하였으며, 각 분사압력 조건마다 1,000 fps로 40장의 이미지를 기록하였다.
- 원으로 표시된 부분을 보면 왼쪽은 원형 노즐을, 오른쪽은 타원형 노즐을 갖고 있음을 알 수 있다. 분사기는 원형 노즐을 갖는 2개와 타원형 노즐을 갖는 6개가 제작되었으며, 오리피스 입구는 곡률 없이 각지게 설계되었다. 오리피스는 슈퍼드릴 천공 후 와이어 방전가공을 통해 그 단면 형상을 가공하였다.
- 분사기 오리피스의 직경이 작기 때문에 이미지 확대를 위해 매크로 렌즈를 사용하였다. 순간의 이미지를 촬영하기 위해 노출시간은 카메라의 설정 최소값인 2 ㎲로 하였으며, 각 분사압력 조건마다 1,000 fps로 40장의 이미지를 기록하였다.
- 고압 압축기로 압축된 공기와 레귤레이터를 이용하여 물을 일정 압력으로 분사기에 공급하였다. 실험 시 분사기 챔버내 물의 압력과 온도 측정을 위해 압력센서와 K-type 열전대를 사용하였다. 측정된 데이터는 100 Hz의 샘플링 속도로 NI-cDAQ를 이용하여 저장하였다.
성능/효과
- L/b, L/a 모두 8 이하인 타원형 노즐의 경우 분사압력 3 bar 이상에서 수력튀김 현상이 발생하며, 종횡비가 큰 3인 경우는 수력튀김으로 생성된 액주를 날개처럼 감싸는 액막이 형성됨을 관찰할 수 있었다. L/b가 8 이상, L/a가 8 이하인 타원형 노즐의 경우 분사압력 3 bar 이상에서 액체제트의 표면이 매우 불안정한 공동현상이 나타났다.
- 앞에서 언급하였듯이 60초 동안 유량을 측정하였으며, 이때 분사기 매니폴드 압력을 100 Hz로 측정하였다. 결국 6,000개의 분사압력 데이터의 표준편차를 구해보았는데, Fig. 5와 같이 L/b가 8 이상 그리고 L/a가 8 이하인 E-2-10 분사기의 경우 압력 4, 5 bar에서, E-3-10 분사기의 경우 압력 5, 6 bar에서 분사압력의 섭동이 다른 경우에 비해 상당히 큰 것을 확인할 수 있었다. 이 현상은 장축 평면에서 공동현상과 수력튀김 현상이 불안정하게 공존하면서 발생하는 것으로 생각된다.
- 하지만 E-2-05, E-3-05 분사기의 경우 분사압력 2 bar의 액체제트 사진에서는 공동현상이 관찰되지만 유량계수에서는 이를 사전에 예측하지 못하였다. 결국 유량계수 결과만으로 공동현상의 발생 유무를 판단하는 것은 오차의 가능성을 내포하고 있음을 알 수 있었다.
- 분무각 0도를 기준으로 양수는 분무각이 커지는 경우, 음수는 분무각이 작아지는 경우를 의미한다. 동일한 분사압력에서 종횡비가 큰 경우 분무각의 감소율이나 증가율이 컸으며, 분사압력이 증가함에 따라 축교차 현상은 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 같은 종횡비 조건에서는 L/d가 큰 경우 분무각의 감소율이나 증가율이 증가하였다.
- 분무각 0도를 기준으로 양수는 분무각이 커지는 경우, 음수는 분무각이 작아지는 경우를 의미한다. 동일한 분사압력에서 종횡비가 큰 경우 분무각의 감소율이나 증가율이 컸으며, 분사압력이 증가함에 따라 축교차 현상은 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 같은 종횡비 조건에서는 L/d가 큰 경우 분무각의 감소율이나 증가율이 증가하였다.
- 오리피스의 형상이나 길이에 상관없이 압력이 증가함에 따라 질량유량은 전반적으로 증가하였으나, 동일 오리피스 형상에서 오리피스 길이가 가장 작은 분사기들의 경우 압력이 2 bar에서 3 bar로 높아질 때는 유량이 정체되는 현상이 나타났다. 또한 동일 오리피스 형상, 동일 압력 조건에서 압력이 대략 5 bar 이상으로 커지게 되면 오리피스의 길이가 클수록 질량유량도 커지는 결과를 갖게 되었다.
- 7에 나타내었다. 분사압력 1 bar에서는 오리피스 길이에 상관없이 액주가 하류로 진행할수록 너비가 줄어드는 현상이 발견되었다. L/b, L/a가 모두 8 이상인 E-3-30 분사기의 경우 C-1-10 분사기와 유사한 경향을 나타내었다.
- L/b, L/a가 모두 8 이상인 E-3-30 분사기의 경우 C-1-10 분사기와 유사한 경향을 나타내었다. 압력이 증가함에 따라 액체제트의 투명도가 감소하였으며, 하류로 갈수록 너비가 줄어드는 현상도 점차 사라짐을 확인하였다.
- 3에 도시하였다. 오리피스의 형상이나 길이에 상관없이 압력이 증가함에 따라 질량유량은 전반적으로 증가하였으나, 동일 오리피스 형상에서 오리피스 길이가 가장 작은 분사기들의 경우 압력이 2 bar에서 3 bar로 높아질 때는 유량이 정체되는 현상이 나타났다. 또한 동일 오리피스 형상, 동일 압력 조건에서 압력이 대략 5 bar 이상으로 커지게 되면 오리피스의 길이가 클수록 질량유량도 커지는 결과를 갖게 되었다.
- 본 연구에서는 오리피스 길이가 다른 원형 노즐과 타원형 노즐을 이용하여, 공동현상과 수력 튀김 현상이 유동특성에 어떠한 영향을 주는지 살펴보았다. 유량계수는 노즐의 형상에 상관없이 공동현상이 발달되면 유량계수가 전반적으로 감소하며, 수력튀김이 발생하면 급격히 감소 후 일정해지는 현상을 나타내었다. 하지만 E-2-05, E-3-05 분사기의 경우 분사압력 2 bar의 액체제트 사진에서는 공동현상이 관찰되지만 유량계수에서는 이를 사전에 예측하지 못하였다.
- L/b가 8 이상, L/a가 8 이하인 타원형 노즐의 경우 분사압력 3 bar 이상에서 액체제트의 표면이 매우 불안정한 공동현상이 나타났다. 장축 평면에서는 수력튀김이 발생하려 하지만, 단축 평면에서 발생하는 공동현상으로 결국 원형 노즐의 공동현상과 유사한 현상을 나타냄을 확인하였다. 특히, 특정 압력 조건에서 공동현상과 수력튀김 현상이 불안정하게 발달하는 히스테리시스 영역이 있다고 판단된다.
- 타원형 노즐에서 유동이 정상상태인 경우 장축 평면에서는 분무각이 줄여들고, 단축 평면에서는 분무각이 커지는 현상이 나타났다. 동일한분사압력에서 종횡비가 큰 경우 분무각의 감소율이나 증가율이 컸으며, 분사압력이 증가함에 따라 축교차 현상은 줄어드는 것을 확인하였다.
- Hong 등[6,7]과 Ku 등[8]은 원형 노즐과 타원형 노즐의 내/외부 유동에 대해 실험과 해석프로그램을 이용하여 연구하였다. 타원형 노즐의 경우 동일 분사 조건에 있어 더 작은 액적이 형성되며, 분사된 연료와 주위공기와의 혼합효과가 향상된다는 결과를 발표하였다.
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