본 연구에서는 추진제로 쓰이는 탄화수소계열의 연료를 모사한 단일 물질 decane과 methylcyclohexane을 유사성을 높이고자 몰분율 기준 50 %로 혼합하여 액적 분사 연구를 수행함으로써 유체에 열에너지를 가하여 온도에 따라 액적과 이중 충돌 분무특성 변화를 초임계 환경에서 연구하였다. 단일물질의 물성치를 기반으로 혼합물질의 임계점을 계산하기 위하여 NIST의 SUPERTRAPP 프로그램을 이용하였으며 선행된 실험 수치들과 비교하였을 때 일치하는 경향을 보였다.
액적 생성 방법으로 rayleigh 분열 방식을 이용하였다. 상온의 조건에서 Oh 수와 Re 수를 계산하여 rayleigh 분열 영역임을 확인하였으며 유체를 가열함에 따라 밀도, 점성, 표면장력의 감소로 인하여 Oh 수는 증가하고 기화로 인한 유체 속도가 증가하여 Re 수가 증가하는 경향성을 보였다.
초임계 환경으로 초임계 압력 조건과 아임계, 천임계, 초임계 온도 조건의 액적을 분무하였을 때 아임계 온도 조건에서 액주와 액적의 형태가 뚜렷이 구분되었으며 혼합물의 임계점에 다다를수록 액주의 형태가 사라지고 기화하여 유체 속도가 증가하여 미립화가 진행되었다. 유체의 온도는 293 K부터 925 K 변한다. 초임계 유체는 상이 관측되지 않았다. 밀도 구배 변화를 명확히 보기 위하여 이미지 후처리를 하였다. 초임계 환경으로 분무되는 액적의 경계면에서 밀도 구배 변화가 컸으며 열에너지를 가할수록 액적의 경계면과 내부까지 밀도 구배 변화가 일어남을 확인하였다. 초임계 유체는 기화가 일어나지 않아 전체적으로 밀도 구배 변화가 적었지만 국소적으로 챔버 환경과 유동이 섞이면서 밀도 구배 변화가 일어남을 관측하였다. 초임계 유체의 온도가 증가할수록 상이 보이지 않는 형태의 유동이 지속된다. 유동 방향과 평행한 방향으로 밀도 구배 변화가 크게 보였지만, 환산 온도가 증가할수록 유동 방향과 수직인 방향으로 유동이 확산함을 보였다. 초임계 유체의 낮은 점도와 높은 밀도로 열확산 속도가 높아 빠르게 주변 환경으로 침투한 것으로 판단된다. 분무 온도에 따른 Re 수는 기화로 인한 속도 증가 등으로 803 K까지 증가하는 경향성을 보이며 803 K부터 925 K까지 소폭 감소하는 경향성을 보인다. 이는 밀도 감소 폭보다 점성 감소폭의 상관관계로 인한 경향성으로 판단된다.
혼합 탄화수소계 이중 충돌은 45°로 충돌하며 인젝터 경사면의 출구면부터 직선거리 약 2.9 mm의 충돌 거리를 가진다. 양단의 출구 직경은 1 mm이다. 임계점 이상의 압력 조건과 온도가 변하는 챔버로 분무되는 이중 충돌은 open rim과 fully developed 형상을 보인다. 유체의 온도는 288 K부터 673 K 변한다. 챔버의 온도가 증가할수록 시트, 형상체, 액적으로 분열되는 open rim의 형상에서 시트 분열 길이가 감소하며 액적 직경 감소 및 액적 증가, 분무각 증가로 이어져 fully developed 형상으로 분무된다. 유량 약 7 g/s일 때 는 122325로 충돌하는 두 제트는 난류인 상태로 충돌점에서 분열된다. 평균화 이미지에서 얻은 분무각은 29°에서 48°로 증가하였으며 시트 분열 길이는 18 mm에서 8 mm로 감소하였다. 상압 분무 환경의 값과 고압 분무 환경의 값은 유사한 범위를 보였다. 근임계 환경으로 분무되는 초임계 혼합물질 유체의 이중 충돌은 액체와 기체의 상 구분 없이 분무되며 기존 분무 형상과는 다르게 연속적인 덩어리 형태의 유동을 보인다. 표면장력이 감소하며 열확산 계수 증가로 인하여 유동 방향에 수직인 방향으로도 유동 확산이 일어난다. 같은 챔버 환산 압력의 아임계 유체보다 초임계 유체의 이중 충돌이 0.25로 높은 값을 가진다. 이는 온도 증가로 인한 밀도 감소로 판단된다.

In this paper, the study of changes of spray characteristics of heated droplet and impinging jets injected into the supercritical environment was performed with the mixture which was composed of decane and methylcyclohexane based on 50 % mole fraction to increase the similarity of kerosene. To calculate the critical points of the mixture based on the material properties of a single substance, NIST SUPERTRAPP program was used and the trend between the previous experimental values and calculated data was consistent.
Rayleigh breakup regime was used as droplet generation method. It was confirmed by calculating Oh number and Re number at room temperature. Oh number increased due to the decrease in density, viscosity and surface tension and Re number increased due to the increase in fluid velocity by vaporization as the fluid was heated.
When the droplet of supercritical pressure conditions and subcritical, transcritical and supercritical temperature conditions was injected into supercritical environment, the liquid column and the droplet shape were clear under subcritical temperature conditions. The liquid column disappeared as the critical point of the mixture was reached and the fluid velocity increased and atomization proceeded due to high vaporization. Temperature of the fluid varied from 288 K to 673 K. The supercritical fluid was invisible. The image processing was used to clearly see the density gradient change. Density gradient at the interface of droplet injected into a supercritical environment was large and as heat energy was applied, the density gradient to the boundary and the inside of the droplet was changed. The supercritical fluid had no evaporation so the density gradient was mall but locally the density gradient occurred as the chamber environment and flow were mixed. As the temperature of the supercritical fluid increased, the flow of phase invisible continued. The density gradient appeared larger in the parallel direction to the flow direction, but as the reduced temperature increased, the flow spreads in the vertical direction of the flow direction. The droplet quickly penetrated into the surrounding environment as low viscosity, high density and high thermal diffusion rate of the supercritical state. Re number tended to increase to 803 K of increase in the velocity by vaporization and decrease slightly from 803 K to 925 K. It was affected by the correlation between density reduction and viscosity reduction.
The mixed hydrocarbon fluid doublet jets were impinged at 45 degrees and the collision distance was 2.9 mm in a straight line from the exit surface of the injector slope. Outlet diameter at both ends was 1 mm. Impinging jets sprayed into the chamber with pressure conditions above the critical point and temperature change showed open rim and fully developed shapes. Temperature of chamber and fluid varied from 288 K to 673 K. As temperature of chamber increased, sheet break length decreased in the open rim shape that broke into sheets, ligaments and droplet and a decrease of droplet diameter and a increase of droplet number and spray angle leaded to fully developed shape. Collided doublet jets were turbulent flow and Re number was 122325 at 7 g/s of a flow rate. Spray angle obtained from the averaged image increased from 29° to 48° and sheet break length decreased from 18 mm to 8 mm. of atmospheric spray environment and of high pressure spray environment showed a similar range. Impinging jets of supercritical mixture injected into near-critical environment showed no distinction between liquid and gas phase and sprayed continuous and lump flow unlike classic spray shape. Flow diffusion also occurred in a vertical direction to the flow direction due to Surface tension decreased and thermal diffusion coefficient. Impinging jets of supercritical fluid had a higher of 0.25 than subcritical fluid of same chamber reduced pressure. It was affected by a decrease in density due to increased temperature.