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문제 정의
- 본 논문에서는 탄화수소계열 추진제를 모사하는 혼합물을 이용하여 초임계 환경으로 유동하는 초임계 액적 분무를 가시화하였다. 액적을 생성하기 위하여 주변 환경과의 상대 속도로 인한 경계면의 불안정성 증가로 유체 자체의 에너지를 소실하여 분열되는 Rayleigh 분열 방법을 이용하였다.
제안 방법
- 512(폭)×(넓이) 해상도와 3000 FPS, 1/50,000s 셔터스피드로 촬영한 RGB 형식의 원본 이미지를 8 bit 형식의 회색조(grayscale) 이미지로 변환하였다.
- 실시간 데이터 수집을 위하여 온도 데이터 수집용 Labview 9211 NI 모델과 압력데이터 수집용 Labview 9201 NI 모델을 이용하였다. 가시화 장치는 챔버와 동일 선상에 고정시키기 위하여 가이드라인을 이용하였다.
- 데칸과 메틸사이클로헥산은 케로신을 구성하는 물질 중 몰분율이 높으며 케로신과 물리 화학적 유사성이 높음이 수치적으로 선행 연구되었다[11]. 단일 물질 각각의 임계점에 따른 제트 분무는 진행되었지만[12], 화합물인 케로신에 대한 유사성을 높이기 위하여 임계점이 상이한 두 물질을 혼합하였으며 몰분율 기준으로 50% 혼합물을 만들어 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 탄화수소계 연료이며 임계점이 상이한 데칸(decane)과 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane; MCH)을 이용하여 혼합 모사추진제를 제작하였다. 또한 유체에 직접 열에너지를 가하여 유체의 상태가 아임계부터 초임계까지 변하는 Rayleigh 분열의 액적에서 일어나는 상변화를 초임계 환경에서 확인하였다.
- 512(폭)×(넓이) 해상도와 3000 FPS, 1/50,000s 셔터스피드로 촬영한 RGB 형식의 원본 이미지를 8 bit 형식의 회색조(grayscale) 이미지로 변환하였다. 변환된 픽셀 값을 이용하여 x 방향과 y 방향 각각의 밀도 구배를 계산하여 크기 값으로 변환하여 이미지 처리를 하였다. 결과 값은 검은색과 흰색으로 256 등분하여 표현된다.
- 액적을 생성하는 방법으로 자체의 에너지를 소시하여 자연 분열되는 방법을 차용하였다. 이 분열 방식은 Rayleigh 분열로 볼 수 있다.
- 가시화 이미지에서 액주와 액적이 명확히 구분되어 보인다. 액주 길이를 계산하기 위하여 회색조(grayscale)로 처리된 이미지를 이원화 이미지로 변환하여 도출하였다. 검증을 위하여 이미지에서 알고 있는 길이인 가시화 영역 직경을 기준으로 액주 길이를 계산하였고 28 mm로 일치하였다.
- 챔버 환경을 조성하는 질소와 유체 가압을 위한 라인은 질소 탱크에서 같은 라인을 통하여 이루어진다. 유체를 가압할 때 유량을 측정하기 위하여 유체 탱크 후에 터빈 유량계를 설치하였다. 터빈 유량계의 측정 범위는 실험 유체 기준 0~170g/s이다.
- Shadowgraph 이미지는 유체가 상변화 함에 따라 변하는 굴절률과 빛의 투과율에 따라 밀도 구배 변화를 나타낸다. 이를 기반으로 분무되는 유체와 주변 환경과의 열전달에 따른 밀도 구배를 명확히 구분하기 위하여 이미지 후처리를 실시하였다. 512(폭)×(넓이) 해상도와 3000 FPS, 1/50,000s 셔터스피드로 촬영한 RGB 형식의 원본 이미지를 8 bit 형식의 회색조(grayscale) 이미지로 변환하였다.
- 이는 초임계 상태로 진입할 때 열전달이 완전히 일어나지 않은 불안정한 형태로 분무 중심의 상이 존재하며 후에 정상 상태로 상이 없는 분무가 지속된다. 회색조로 변환된 이미지에서 밀도구배를 보다 명확히 보기 위하여 이미지 처리를 수행하였다. 앞서 언급한 바와 같이 흰색일수록 밀도구배변화가 크고 검은색일수록 밀도구배 변화가 작다.
대상 데이터
- 또한 임계점이 비교적 높아 실험 유체로 선정하기에 위험성이 존재한다. 따라서 케로신 대체 모델(surrogate model)에 의하여 단일 물질 중 구성 비율이 높으면서 접근성, 경제성, 취급성이 용이한 데칸과 메틸사이클로헥산을 실험 유체로 선정하였다. 데칸과 메틸사이클로헥산은 케로신을 구성하는 물질 중 몰분율이 높으며 케로신과 물리 화학적 유사성이 높음이 수치적으로 선행 연구되었다[11].
- 본 연구에서는 탄화수소계 연료이며 임계점이 상이한 데칸(decane)과 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane; MCH)을 이용하여 혼합 모사추진제를 제작하였다. 또한 유체에 직접 열에너지를 가하여 유체의 상태가 아임계부터 초임계까지 변하는 Rayleigh 분열의 액적에서 일어나는 상변화를 초임계 환경에서 확인하였다.
- 실린더 형태의 챔버는 직경 70mm, 내부 용적은 257mL이다. 석영유리(quartz) 두께 30mm를 사용하여 가시화를 진행하였다. 고온·고압 환경을 이루기 때문에 흑연 가스켓(graphite gasket)을 이용하여 석영 유리와 챔버 간 결합에 사용하였다.
- 2와 같다. 실린더 형태의 챔버는 직경 70mm, 내부 용적은 257mL이다. 석영유리(quartz) 두께 30mm를 사용하여 가시화를 진행하였다.
- 5mm이며 고온의 실험 유체는 발화점 이상의 상태이므로 열교환기를 통하여 상온의 상태로 처리된다. 실험 장치에 쓰인 열전대는 1/16 inch, K-Type이며 Wika의 압력 트랜스듀서를 사용하였다. 실시간 데이터 수집을 위하여 온도 데이터 수집용 Labview 9211 NI 모델과 압력데이터 수집용 Labview 9201 NI 모델을 이용하였다.
- 챔버 환경을 이루는 유체는 질소이며 실험에 사용된 유체는 데칸과 메틸사이클로헥산이다. 두 유체를 몰분율 기준 50%로 혼합하여 사용하였다.
- 터빈 유량계의 측정 범위는 실험 유체 기준 0~170g/s이다. 챔버를 가열하기 위하여 2,000W 밴드형 세라믹히터를 사용하였으며 유체를 가열하기 위하여 1,600W의 밴드형 세라믹 히터를 사용하였다.
이론/모형
- 실험 장치에 쓰인 열전대는 1/16 inch, K-Type이며 Wika의 압력 트랜스듀서를 사용하였다. 실시간 데이터 수집을 위하여 온도 데이터 수집용 Labview 9211 NI 모델과 압력데이터 수집용 Labview 9201 NI 모델을 이용하였다. 가시화 장치는 챔버와 동일 선상에 고정시키기 위하여 가이드라인을 이용하였다.
- 액적 분무 가시화를 위하여 shadowgraph 기법을 사용하였다. Fig.
- 본 논문에서는 탄화수소계열 추진제를 모사하는 혼합물을 이용하여 초임계 환경으로 유동하는 초임계 액적 분무를 가시화하였다. 액적을 생성하기 위하여 주변 환경과의 상대 속도로 인한 경계면의 불안정성 증가로 유체 자체의 에너지를 소실하여 분열되는 Rayleigh 분열 방법을 이용하였다. Trfluid가 0.
- 8 bar이다. 혼합물의 임계점은 NIST의 SUPERTRAPP을 이용하여 대응상태원리(principle of corresponding state)를 기반으로 계산하였으며 임계 온도 599 K, 임계 압력 26 bar이다[13].
성능/효과
- 액적을 생성하기 위하여 주변 환경과의 상대 속도로 인한 경계면의 불안정성 증가로 유체 자체의 에너지를 소실하여 분열되는 Rayleigh 분열 방법을 이용하였다. Trfluid가 0.49일 때 액주와 액적의 구분이 뚜렷하며 경계면에서 밀도 구배 변화가 큼을 확인하였다. Trfluid가 0.
- 01일 때 미립화가 진행된 분무 형상을 보였으며 이는 혼합물을 구성하는 메틸 사이클로헥산의 임계점 근처의 온도 조건이기 때문에 기화로 인한 유동 속도 증가로 볼 수 있다. 유체의 경계면뿐만 아니라 내부 전체 모두 밀도 구배 변화가 큼을 확인하였으며 두 경우 모두 분무 초기에 주변 환경과의 열교환이 적어 내부는 밀도 구배 변화가 작음을 알 수 있다. Trfluid가 1.
- 7 g/s로 분무되지만 상이 보이지 않음이 관측되었다. 이미지 후처리를 하였을 때 초임계 유체는 기화가 일어나지 않지만 질소와의 열교환으로 국소적인 밀도 구배 변화가 일어나는 것을 확인하였다.
- 80일 때 액주가 급격히 짧아졌으며 덩어리(lump) 형태가 관측되었다. 주변 환경과의 열교환으로 경계면뿐만 아니라 내부 중심도 밀도 구배 변화가 일어남을 확인하였다. Trfluid가 0.
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