저온 환경에서의 횡단 공기유동장 내로 분사되는 수직 액체 제트 분무특성 :Spray Characteristics of Liquid Jet into a Cross-flow Airstream at Low Temperature Condition

이종권

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이종권 (한국항공대학교, 한국항공대학교 일반대학원)

지도교수: 구자예

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

저온 환경에서의 횡단 공기유동장 내로 분사되는 수직 액체 제트 분무특성

이종권 항공우주및기계공학과 2020.01 학위논문

2019

아음속 횡단유동장으로 분사된 저온 수직 액체 제트의 분무특성

이종권 , 최명환 , 구자예 한국추진공학회 학술대회논문집 2019.05 학술대회자료

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군용항공기 엔진과 민간 항공기 엔진을 비롯한 항공기 엔진은 작동제한 온도를 형식 증명에 명시하고 있다. 하지만 군용 항공기 엔진은 긴급상황에 따라 극심한 환경에서 엔진 점화를 해야 하는 상황이 발생할 수 있다. 극저온 환경의 냉간 시동(cold-start ignition) 조건에 대한 연소 실험은 진행되었지만 냉간 시동 상황에서의 분무특성 규명은 이뤄지지 않았다.
본 연구의 주 목표는 가스터빈엔진에서 사용되는 횡단 공기 유동장 내 수직 분사 제트(JICF; Jet In Crossflow) 연료 분무 방식의 냉간 시동 조건에서의 액체 분무특성을 규명하는 데 있다. 분무특성 규명에는 액체 제트의 궤적 및 침투거리, 액체 제트의 분열영역 및 과정 규명, 분열거리 측정, SMD 측정 등이 있다. 이러한 특성규명은 연소 효율, 연소기 성능 및 설계에 영향을 준다. 본 논문에서는 냉간 시동 상황에서의 여러 분무특성 중 액체 제트 분열과정과 침투거리에 대해 규명하고자 한다.
본 논문에서는 저온 환경에서의 분무특성 규명을 위해 273, 233 K의 공기와 293, 263, 233 K의 에탄올 액체를 공급하였다. 실험은 운동량 플럭스 비() 범위 16.80- 38.57, 공기 점도비() 범위 0.66- 0.88, 액체 점도비() 범위 1.487- 6.033, 표면장력비() 범위 0.305- 0.380에서 수행되었다. 순간이미지 분석을 통해 1차 분열과정에 대한 분열도표를 나타내었으며 침투거리 규명에는 Otsu 이원화 이미지 기법을 사용하였고, 실험조건에 대한 침투거리 상관관계식을 제시하였다.
분열과정 분석을 통해 293 K과 263 K의 액체제트는 multimode breakup을 보이지만 233 K의 액체 제트는 bag breakup을 보임을 확인하였고 이를 - 분열도표를 나타내었다.
상온의 에탄올 제트는 점도와 표면장력이 낮으며, 공기 관성력이 상승함에 따라 분열길이가 짧아지고 분열각이 커지는 경향을 확인하였다. 공기의 온도가 감소함에 따라 공기 밀도 증가의 원인으로 공기의 운동량 플럭스가 증가하게 된다. 이에 침투거리가 감소하는 경향을 보여야 하나 공기 밀도 증가의 영향으로 공기 관성력이 상승하고 분열각이 커지게 된다. 이로 인해 상온의 공기와 저온의 공기에서 침투거리 차이가 미미함을 확인하였다.
저온 에탄올 제트는 점도와 표면장력이 높으며, 분열성능이 낮아 분열길이가 길고 분열각이 좁으며 동일한 속도조건에서 침투거리가 상온의 액체보다 감소함을 확인하였다. 낮은 분열성능으로 인해 액체 제트는 공기 온도 감소에 따른 공기 관성력 증가에 의한 영향을 적게 받으며, 공기의 운동량 플럭스 증가로 침투거리가 감소함을 확인하였다.
저온 환경에서의 분무실험을 통해 분열성능과 침투거리에 저온의 공기보다 저온의 액체가 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 연료 온도가 극저온에 가까워질수록 분열 성능이 감소하게 되어 기존과 다른 분열과정을 보이며, 침투거리가 감소함을 확인하였다. 이는 T63 냉간 시동에서 확인되었듯, 연료 온도를 유지해 일정 액체 점도와 표면장력을 유지하는 것이 저온 환경에서의 연소 성능 및 분무 성능 개선에 효과적이라 판단된다.

The limit of the operating temperatures of aircraft engines, including military and civil aircraft engines, is specified in the type certificate. However, military aircraft engines may require ignition in extreme environments due to emergency situations. To address this issue, combustion tests have been conducted under cold-start ignition conditions; however, the spray characteristics for these conditions could not be identified.
The main objective of this study is to identify the liquid spray characteristics of the jet in the crossflow fuel injection method, which is employed in gas turbine engines, under cold-start ignition conditions. This includes the identification of spray characteristics such as the trajectory and penetration height of liquid jets and the primary break-up regimes of liquid jets, as well as the measurement of the break-up lengths of liquid jets and the droplet diameters. These characteristics affect combustion efficiency, combustion performance, and design of combustor. This paper presents the process of liquid jet break-up and penetration heights, among various spray characteristics.
In this study, air at 273 K and 233 K and liquid ethanol at 293 K, 263 K, and 233 K were used to identify the spray characteristics in low-temperature environments. The experiments were conducted for a momentum flux ratio of 16.80?38.57, air viscosity ratio of 0.66?0.88, liquid viscosity ratio of 1.487?6.033, and a surface tension ratio of 0.305?0.380. The regime map of the primary break-up process was obtained via instantaneous image analyses. The Otsu binary image technique was used to identify penetration heights, and the correlation equations for the experimental conditions were derived.
Liquid jets of 293 K and 263 K exhibit a multimode break-up, whereas liquid jets of 233 K exhibit a bag break-up. The breakup regime map obtained in this study reflects this phenomenon.
Moreover, ethanol jets of 293 K have low viscosity and surface tension; therefore, they exhibit a short break-up length, and the spray angle increases with increasing air inertia forces. As air temperature decreases, the air momentum flux increases owing to the increase in density. Therefore, a decreasing tendency of the penetration height is observed; however, the spray angle increases due to the increased air density increased. Hence, the difference between the penetration heights of air at 293 K and the air at 233 is small, at low temperatures.
A low-temperature ethanol jet has high viscosity and surface tension. This results in narrower spray angles and lower penetration heights than those of a liquid jet at 293 K, under identical speed conditions. Due to their low spraying performance, liquid jets are less affected by the increasing air inertia forces arising from the reduction of air temperature. In addition, liquid jets were found to possess reduced penetration heights due to the increased air momentum flux.
The spray experiments conducted in cold environments have revealed that a low-temperature liquid has a more significant effect on the break-up performance and penetration height, in comparison to a low-temperature air. The closer the fuel temperature is to the cryogenic temperature, the lower is the break-up performance, exhibiting a different break-up process and a decrease in the penetration height. As noted in the T63 cold start ignition, maintaining liquid viscosity and surface tension by maintaining the fuel temperature is considered to be useful for improving the combustion and spraying performances under cold-start ignition conditions.

#Cold-start ignition condition #Jet in crossflow #Penetration height #Breakup mode #Gas-turbine engine

요약 i
목차 iii
그림목록 v
표목록 viii
기호목록 x
제 1 장 서 론 1
1.1. 악천후 상황에서의 가스터빈 엔진 운용 1
1.2. 횡단유동장 내로 분사된 수직 분사 제트 3
1.2.1. Jet In Crossflow 이해와 적용 분야 3
1.2.2. Liquid Jet In Crossflow 특성연구 6
1.2.3. 선행연구결과 검토 8
1.3. 분무 연료 특성 및 액체 선정 12
1.4. 연구목적 14
제 2 장 실험장치 및 방법 15
2.1. 실험장치 15
2.1.1. 공기 공급장치 15
2.1.2. 액체 제트 공급장치 18
2.1.3. 분무 가시화 시스템 21
2.2. 실험 방법 23
2.3. 실험조건 24
2.4. 분석 방법 28
제 3 장 실험결과 32
3.1. 액체 제트 분열과정 및 영역 32
3.2.1. 액체 온도 감소에 따른 분열성능 비교 36
3.2.2. 분열과정 도표 37
3.2. 액체 제트 궤적 및 침투거리 39
3.2.1. 액체 온도 감소에 따른 침투거리 영향 비교 45
3.2.2. 공기 온도 감소에 따른 침투거리 영향 비교 50
3.2.3. 침투거리 상관관계식 도출 56
제 4 장 결 론 61
참 고 문 헌 63
Appendix A: 실험조건에 따른 분무 순간이미지 68
Summary 79

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