[논문]점탄성 유체에 따른 충돌분무의 분무패턴 및 미립화 특성

이문희; 홍정구

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.3.145

점탄성 유체에 따른 충돌분무의 분무패턴 및 미립화 특성
Spray Patterns and Atomization Characteristics of Viscoelastic Fluid with Impinging Jet 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.3, 2019년, pp.145 - 151

Abstract ▼ AI-Helper

Viscoelastic fluid is used in various industrial sites because its cost reduction and environmental benefits by preventing formation of fine droplets that scattered around. However, viscoelastic fluids, unlike newtonian fluids, contain a shear thinning characteristic that decrease in viscosity as shear rate increases and elastic characteristic, making it difficult to predict spray breakup process. In this study we made three test fluids. Boger fluid with viscoelastic characteristics, and two newtonian fluids, were prepared to exclude shear thinning characteristics and study the effects of elastic characteristic only. Flow visualization, spray angle, and SMD were measured for three test fluids using laboratory scale impinging jet test apparatus. As a result, it was confirmed that Boger fluid, unlike the newtonian fluid, was not formed fine droplets that scattered around and the breakup process appeared differently. In addition, SMD was found to be large in Boger fluid, and the SMD according to pressure was confirmed that there is no significant difference.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1 Test fluid conditions⁽⁸⁾
그림 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup
그림 Fig. 2 Measuring direction of flow visualization
그림 Fig. 3 Spray images of NF1
그림 Fig. 4 Spray images of NF2
그림 Fig. 5 Spray images of BF
그림 Fig. 7 Spray images of test fluid at similar velocity
그림 Fig. 6 Flow pattern diagram of NF2, BF
그림 Fig. 8 SMD according to pressure of test fluid

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 충돌 분무를 이용하여 점탄성 유체의 분무 및 미립화에 관한 실험을 진행하였다. 3가지 실험 유체 간의 유동 가시화를 통한 분무패턴 및 평균액적직경을 실험적으로 획득하였으며, 탄성이 분무 및 미립화 특성에 미치는 영향에 대해 확인하였다.
이에 본 연구에서는 비뉴턴 유체에서 전단 박화 특성을 배제하고 탄성만의 영향을 살펴보기 위해 Bogerfluid와 점탄성 유체와 전단 점성이 동일한 뉴턴 유체를 사용하여 실험실 규모의 충돌 분무 실험 장치에서의 유동가시화 및 평균액적직경을 측정하여 유체의 탄성이 분무 및 미립화에 미치는 영향에 대하여 확인하고자 한다.

제안 방법

이 후, 분사속도가 증가함에 따라 Fig. 3(c)와 같은 Rim withdrop separation 구조가 확인되며, 림은 불안정해지면서림에서부터 액적이 분리되어 분열되는 현상을 관찰하였다. 마지막으로 Fig.
본 연구에서는 충돌 분무를 이용하여 점탄성 유체의 분무 및 미립화에 관한 실험을 진행하였다. 3가지 실험 유체 간의 유동 가시화를 통한 분무패턴 및 평균액적직경을 실험적으로 획득하였으며, 탄성이 분무 및 미립화 특성에 미치는 영향에 대해 확인하였다.
NF1은 100% 증류수이며, NF2는 55%의 증류수와 45%의 글리세롤을 혼합하여 만든 유체이다. BF는 증류수와 글리세롤을 혼합한 용액에 Polyethylene oxide 고분자를 첨가하였고, 자력 교반기(MS200)을 이용하여 실험 유체를 제조하였다. 자력 교반기를 이용한 혼합과정에서 가열 기능은 꺼진 상태로, 고분자 사슬의 분열을 최소화하기 위해 약 20 rpm으로 혼합하였다.
Figure 2는 유동 가시화의 측정 방향에 대한 개략도로서, 노즐 사이의 충돌 각도(Impingement angle)는 90°, 충돌 전 길이(Pre-impingement length)는 20 mm로 고정한 채, 분무 실험을 진행하였다. Front view, Side view에서의 유동 가시화를 통해, Front view에서는 분무각을 측정하였고, Side view에서는 분무패턴을 확인하였다.
한 실험 당 100개 이상의 이미지가 분석되었으며, 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다. 노즐로부터 분사되는 액적의 크기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser diffraction)원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하여 측정하였다. 평균 액적직경 측정은 분열이 충분히 이루어진 노즐 팁(Tip)으로부터 250 mm 분무하류에서 분무선단 방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(Detector)에 수신하여 평균액적직경을 획득하였다^(12,13).
Negri⁽⁸⁾는 고분자 구조에 따른 영향을 살펴보기 위해 점탄성 유체를 제조하고 충돌 분무 실험을 진행하였고, 레이놀즈 수에 따른 분열 과정을 확인하였다. 또한 점탄성 유체에서의 탄성만의 영향을 알아보기 위해 일정한 점성을 가지는 탄성 유체인 Boger fluid를 사용하여 실험적 연구를 진행하였다. 그 결과로 신장 점도가 높을수록 액적으로 분열되지 않고 액사 구조를 가지며분열된다고 보고하였다.
본 실험을 통해 측정된 속도와 가시화한 결과로부터 탄성만의 영향을 고찰하기 위해 웨버 수 및 탄성 수 2가지 무차원수를 이용하여 분무 영역을 구분하였다.
유체의 공급은 유체 탱크에 있는 유체를 마이크로 기어 펌프(Micro gear pump, WT3000-1JA)를 이용하여 공급하였으며, 노즐 전단의 압력계를 통하여 압력을 측정하였다. 유동 가시화를 위해 초고속 카메라(Phantom Miro ex4, Maximum resolution:1280X1024, Sample rate: 900fps)와 광원으로 Stroboscope를 사용하였고, 노즐로부터 60 mm 하류까지 가시화하였다. 한 실험 당 100개 이상의 이미지가 분석되었으며, 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다.
충돌 분무를 위해 사용된 노즐은 직경이 1 mm, 챔버의 길이는 4 mm로 길이 대 직경비(Length to diameter)는 4로 제작되었다. 유체의 공급은 유체 탱크에 있는 유체를 마이크로 기어 펌프(Micro gear pump, WT3000-1JA)를 이용하여 공급하였으며, 노즐 전단의 압력계를 통하여 압력을 측정하였다. 유동 가시화를 위해 초고속 카메라(Phantom Miro ex4, Maximum resolution:1280X1024, Sample rate: 900fps)와 광원으로 Stroboscope를 사용하였고, 노즐로부터 60 mm 하류까지 가시화하였다.
4(b)Closed rim 구조에서, NF1과는 다르게 두 번째 시트와 림이 형성되는 것을 관찰하였다. 이후 분사 속도가 증가함에 따라 NF1과 동일하게 림이 불안정해지면서 림에서부터 액적이 분리되는 현상을 확인하였다. 그러나 추가적으로 속도가 증가함에 따라 NF1과는 다르게 Fig.
노즐로부터 분사되는 액적의 크기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser diffraction)원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하여 측정하였다. 평균 액적직경 측정은 분열이 충분히 이루어진 노즐 팁(Tip)으로부터 250 mm 분무하류에서 분무선단 방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(Detector)에 수신하여 평균액적직경을 획득하였다^(12,13).
유동 가시화를 위해 초고속 카메라(Phantom Miro ex4, Maximum resolution:1280X1024, Sample rate: 900fps)와 광원으로 Stroboscope를 사용하였고, 노즐로부터 60 mm 하류까지 가시화하였다. 한 실험 당 100개 이상의 이미지가 분석되었으며, 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다. 노즐로부터 분사되는 액적의 크기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser diffraction)원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-5), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

분무 실험은 25°C의 상온, 대기압 조건에서 진행되었으며, Table 1은 본 실험에서 사용된 유체의 물성치를 나타내는 표이다. 실험에 사용된 유체는 총 3가지로서, M. Negri⁽⁸⁾의 선행 연구를 참고하여 유체를 제조하였다. NF는 뉴턴 유체를 나타내며, BF는 Boger fluid를 나타낸다.
Figure 1은 점탄성 유체의 분무특성을 확인하기 위한 실험실 규모의 충돌 분무장치이다. 충돌 분무를 위해 사용된 노즐은 직경이 1 mm, 챔버의 길이는 4 mm로 길이 대 직경비(Length to diameter)는 4로 제작되었다. 유체의 공급은 유체 탱크에 있는 유체를 마이크로 기어 펌프(Micro gear pump, WT3000-1JA)를 이용하여 공급하였으며, 노즐 전단의 압력계를 통하여 압력을 측정하였다.

성능/효과

(1) 유체 간의 점성, 탄성에 따라 상이한 분무패턴을 확인하였으며, 점성은 동일하지만 탄성이 추가된 유체는 액적으로의 분열을 지연시키며 안정화하여 충돌점에서 액적으로 분열이 일어나지 않는 것을 확인하였다.
(2) 탄성 수에 따라 분무패턴이 발달하는 임계 웨버수가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 동일한 분사속도에서 점성이 증가함에 따라 분무각은 큰 차이가 없으나, 탄성이 추가된 유체는 주변으로 비산되는 액적이 관찰되지 않으며, 보다 안정화하여 분무각이 작아진다.
(3) 점성이 증가할 수 록 평균액적직경이 크며, 동일한 점성을 가진 유체에 탄성이 추가되면 평균액적크기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 탄성이 추가된 유체에서는 압력이 증가하더라도 평균액적직경의 변화는 크지 않음을 확인하였다.
(b)는 NF1과 NF2의 분무 이미지이며, 점성이 증가함에 따라 분무 이 미지 및 분무각은 큰 차이가 없음(약 40°)을 확인하였다.
분사 압력 전 구간에서 NF2는 NF1에 비해 평균액적직경은 약 18% 증가하고, BF는 NF1에 비해 평균액적크기 약 25% 증가하였다. 또한 BF는 NF2에 비해 평균액적직경은 약 9% 증가한 것을 확인하였다. 평균액적직경은 점성이 증가하고 탄성이 있는 유체에서 증가한다는 것을 알 수 있다.
평균액적직경은 점성이 증가하고 탄성이 있는 유체에서 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한 탄성이 있는 BF에서는 NF1, NF2에 비해 압력에 따른 평균액적직경 기울기가 감소하는 경향을 확인하였다. 이는 NF1, NF2와는 달리 탄성의 추가로 인해 액적으로의 분열을 지연시켜 압력에 따른 평균액적직경의 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.
(3) 점성이 증가할 수 록 평균액적직경이 크며, 동일한 점성을 가진 유체에 탄성이 추가되면 평균액적크기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 탄성이 추가된 유체에서는 압력이 증가하더라도 평균액적직경의 변화는 크지 않음을 확인하였다.
Figure 8은 실험 유체의 압력에 따른 평균액적직경을 나타낸 그래프이다. 모든 실험유체에서 분사 압력이 증가할 수 록 평균액적크기가 감소한다.
분사 압력 전 구간에서 NF2는 NF1에 비해 평균액적직경은 약 18% 증가하고, BF는 NF1에 비해 평균액적크기 약 25% 증가하였다. 또한 BF는 NF2에 비해 평균액적직경은 약 9% 증가한 것을 확인하였다.
Thompson등은 Flat-fan, Hollow cone 노즐을 사용하여 분무 및 미립화에 관한 실험을 진행하였다. 점탄성 특성의 추가는 유체 림(Rim) 구조를 안정화시키는 동시에, 유체 시트(Sheet) 구조를 불안정화 시키는 것을 확인하였다. 또한 점탄성 특성이 증가함에 따라 평균액적직경이 증가할 것으로 예상된다고 주장하였지만, 구체적인 평균액적직경에 대해서는 정량적으로 제시하지 못했다⁽⁶⁾.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점탄성 유체가 사용되는 산업 분야는 어디인가?	점탄성 유체(Viscoelastic fluid)는 액체의 점성과 고체의 탄성이 동시에 발현되는 복합 물질(Complex material)로서, 분무시 주변으로 비산되는 액적들의 형성을 막아 비용 절감 및 환경오염을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이에 표류할 수 있는 미세 액적의 형성 및 잠재적 방출을 최소화하여(1) 분무 도포, 의약품 제조, 항공기 젤 추진제 등 다양한 산업에 적용되어 사용하고 있다(2~7).
	점탄성 유체란 무엇인가?	유체에 소량의 고분자를 첨가하면 유체는 점탄성적 특성 또는 유변학적 특성을 가지게 된다. 점탄성 유체(Viscoelastic fluid)는 액체의 점성과 고체의 탄성이 동시에 발현되는 복합 물질(Complex material)로서, 분무시 주변으로 비산되는 액적들의 형성을 막아 비용 절감 및 환경오염을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이에 표류할 수 있는 미세 액적의 형성 및 잠재적 방출을 최소화하여(1) 분무 도포, 의약품 제조, 항공기 젤 추진제 등 다양한 산업에 적용되어 사용하고 있다(2~7).
	점탄성 유체에서 유체 거동을 파악하기 어려운 이유는 무엇인가?	뉴턴 유체를 사용한 분무 및 미립화에 관한 실험적 연구는 많이 진행되어 있는 반면, 점탄성 유체에 관한 실험적 연구는 뉴턴 유체를 사용한 실험적 연구에 비해 상대적으로 미흡한 실정이다. 유동만 일어나는 뉴턴 유체와 다르게 점탄성 유체는 유동과 변형이 혼재되어 발현되므로, 일반적인 물질에 비해 유체 거동을 파악하기 어렵다. 또한 점탄성 유체는 비뉴턴 유체로서, 전단응력과 변형률이 비선형적인 관계를 가지기 때문에 유체의 거동을 Navier-Stokes 방정식에 기초하여 설명할 수 없다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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