초임계 환경으로 분사되는 탄화수소 혼합물 액체연료 제트의 분무 거동 특성 :Characteristics of Mixed Hydrocarbon Liquid Fuel Jet Injected into Supercritical Environment

안정우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안정우 (한국항공대학교, 한국항공대학교 일반대학원)

지도교수: 구자예

발행연도: 2023

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이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

초임계 환경으로 분사되는 탄화수소 혼합물 액체연료 제트의 분무 거동 특성

안정우 항공우주및기계공학과 2023.01 학위논문

2022

초임계 환경으로 분사되는 액체 연료 제트의 분사 거동 특성

안정우 , 최명환 , 이준 외 1명 한국항공우주학회지 2022.05 학술저널

2021

임계환경에서 탄화수소 혼합물 이중충돌 제트의 상변화특성

안정우 , 최명환 , 송주연 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.07 학술대회자료

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본 연구에서는 액체로켓의 추진제로 사용되는 탄화수소계열의 모사 연료로 단일물질과 혼합물질을 사용하여 천/초임계 조건에서 제트 분사 실험를 수행함으로써 제트의 분사 거동 특성을 연구하였다. 단일물질 유체로 데칸(decane)을 사용하였으며, 혼합물질로 임계온도와 임계압력의 차이가 있는 데칸(decane)과 메틸사이클로헥산(MCH)을 50%의 몰분율로 혼합한 유체를 사용하였다. 단일/혼합물질의 임계점은 NIST의 REFPROP 프로그램을 통해 계산하였으며 선행 연구에서 실험값과 일치한 경향을 보였다.
액체 상태인 모사 연료를 아/초임계 상태인 챔버로 분사하였을 때 연료의 분무 특성을 관찰하였으며 챔버 내부 온도와 압력이 단일 제트의 분사 거동에 미치는 연구를 진행하였다. 분무 초기 액체상태인 연료가 초임계 환경에 의해 상변화가 이뤄지는데, 액체영역길이(Liquid phase length)를 측정하여 챔버의 압력과 온도에 따른 변화를 관찰하였다. 챔버 압력과 온도가 상승할수록 액체 같은 영역에서 빠르게 기체 같은 상으로 변화하는 모습을 관찰하였고 제트의 분무각은 챔버 압력이 높을수록, 온도가 낮을수록 더 넓게 퍼지는 현상을 확인하였다. 제트 연료의 분무각은 연료와 질소의 밀도비로 나타낼 수 있으며 단일물질을 분사하였을 경우와 혼합물질을 분사하였을 경우 모두 밀도비의 제곱근의 경향성을 확인하였다. 액체영역길이는 단일, 혼합물질의 연료 모두 질소와 연료의 밀도비, 질량유량비, 분무각 등의 영향을 받는 것을 관찰하였다.
분무각은 단일/혼합물질 각각 200장의 밀도구배 이미지를 평균화하여 밀도구배가 가장 큰 영역의 평균값을 기준으로 선형보간을 통해 분무각을 측정하였다. 챔버 내부 온도가 증가할수록 분무각이 감소하는 경향을 보였으며 챔버 내부 압력이 증가할수록 분무각이 증가하는 경향을 확인하였다. 단일물질에서의 분무각은 제트의 분무각이 챔버를 이루는 내부유체의 밀도와 제트의 연료 밀도비의 제곱근 영향을 받는데 단일물질(데칸)의 경우 기울기 0.77에서 밀도의 제곱근과 유사한 경향성을 보였고, 혼합물질에서도 기울기 1.25일 경우 비슷한 경향을 관찰하였다.
제트의 액체영역길이는 측정 온도에서 이미지 100장을 평균화하여 밝기강도(intensity)가 급격히 변화하는 지점을 비교하였다. 단일물질, 혼합물질 모두 챔버 내부 온도와 압력이 상승할수록 액체 같은 영역이 빠르게 기체 같은 영역으로 변화하는 경향성을 관찰하였다. 이러한 경향성은 Rezaei가 제시한 초임계 환경으로 분사되는 단일 제트의 비등모델(boiling model)로 설명할 수 있다. 단일물질로 수행한 그의 연구에서 확장시켜 본 연구에서 혼합물질에서도 비슷한 경향성을 확인하였으며 해당 모델이 혼합물질에서의 정당성을 제시한다. 모델의 재현성을 위해 단일물질(데칸)로 액체 같은 영역의 길이를 측정한 결과 해당 모델과의 결정계수 값이 0.77으로 상관관계가 높다는 것을 확인하였으며, 혼합물질에 대한 액체 같은 영역 길이 또한 해당 모델을 통한 예측값과 비슷한 경향성을 보였으며 결정계수 값 0.8로 확인하였다. 단일물질에 대한 비등모델뿐만 아니라 Higgins가 제시한 혼합물의 최대 액체영역길이를 초임계 환경으로 확장하여 경향성을 확인하였다. 확인결과 결정계수 값이 0.5 정도로 경향성이 확인되었지만 비등모델보다 적합하지 않은 것을 확인하여 초임계 조건에서 액체영역길이의 기초 데이터를 제시한다.

Characteristics of a mixture liquid fuel with a decane/MCH mole fraction of 50% are sprayed into a supercritical environment. The experiment is conducted by fixing the difference between the upper pressure and the chamber pressure at 5 bar. Decane sprayed into the supercritical environment and subcritical near supercritical environment tend to increase when the pressure inside the chamber increases and decrease when the temperature increases, similar to the case of spraying into a general subcritical environment. It is experimentally confirmed that decane injected into the supercritical environment also have a linear relationship between the square root of the density ratio and the spray angle, not significantly different from the liquid fuel injected into the subcritical environment due to the influence of the density ratio of external gas and liquid fuel. When spraying decane, the coefficient of determination with the linear regression line at the slope of 0.77 is 0.94, confirming a very high tendency. Therefore, it is assumed that spraying a single component liquid into a supercritical environment does not differ significantly from spraying into a subcritical environment. Nitrogen gas maintains its gaseous phase under supercritical pressure conditions, but since the experiment is conducted under temperature conditions significantly higher than the critical temperature, it is assumed that it is not significantly different from the subcritical environment, which is a mixture of nitrogen gas and liquid fuel.
The length of the liquid phase of the single component (decane) jet is measured by referring to the previous study by Rezaei. As the liquid state decane is sprayed into the supercritical environment, it undergoes heat transfer by the external gas and changes a phase to the supercritical state. In addition, based on the boiling model presented by Rezaei, it is verified through experiments whether the mixing temperature he suggested is a critical temperature or a pseudo-critical point. As a result of the experiment, when the mixing temperature proposed by Rezaei is the critical temperature, the liquid phase length of the jet showed a similar tendency. The injected liquid fuel approaches a gaseous state through heat transfer and is mixed with external gas, then it is determined that the mixing temperature of the fuel/external gas mixture does not exceed the critical temperature of the liquid fuel. As the liquid fuel go up to the critical temperature, the discontinuous phase change disappears and the latent heat required for the phase change turns into energy to raise the temperature of the fuel. Accordingly, there is a continuous change from the liquid phase to the gas phase and it is easy to mix into the gas phase with the external gas. Therefore, It is determined that the mixing temperature did not exceed the critical temperature.
The liquid phase length of the decane/MCH mixture is compared with the formula proposed by Rezaei to compare the macroscopic behavior characteristics, and the model that predicted the liquid phase length of the liquid mixture fuel jet proposed by Higgins is also used to determine which approach is closer to the experiment. For the mixing temperature, the critical temperature verified in a single material was substituted, and as a result of the experiment, a linear relationship was confirmed except for the equation proposed by Rezaei and near the critical point, and a high tendency is confirmed. Experimental data are measured by spraying mixture liquid fuel into a supercritical environment, but it is shown that the prediction of spray angle or liquid phase length was not significantly different from that of a single component.

#초임계유체 #상변화 #탄화수소연료 #임계점

제 1 장 서 론 1
1.1. 이론적 배경 및 선행연구 1
1.2. 연구 배경 및 목적 4
제 2 장 연료 제트 분사 및 가시화 시스템 6
2.1. 초임계 챔버 및 제트 분사 장치 설계 6
2.1.1. 챔버 6
2.1.2. 초임계 가시화 시스템 및 안전장치 8
2.2 데이터 수집 및 장치 제어 9
2.2.1. 데이터 수집 9
2.2.2. 실험장치 제어 11
제 3 장 실험방법 및 분석방법 12
3.1. 초임계 가시화 및 분사 실험방법 12
3.1.1 실험 유체 선정 12
3.2. 실험 분석 기법 16
3.2.1. 쉐도우 그래프 이미지 방법 16
3.2.2. 밀도 구배 이미지 17
3.2.3. 평균 이미지 18
3.2.4. 제트 분무각 18
3.2.5. 제트의 액체영역길이 20
제 4 장 실험결과 24
4.1. 단일물질 연료 제트 분무실험 24
4.1.1 단일물질 연료 제트의 분무실험 조건 24
4.1.2 단일물질 연료 제트의 분무각 결과 26
4.1.3 단일물질 연료 제트의 액체영역길이 결과 29
4.2. 혼합물질 연료 제트 분무실험 36
4.2.1. 혼합물질 연료 제트의 분무실험 조건 36
4.2.2. 혼합물질 연료 제트의 분무각 결과 38
4.2.3. 혼합물질 연료 제트의 액체영역길이 결과 42
4.2.4. 외부 기체 변화에 따른 연료 제트의 분무각 결과 49
제 5 장 결 론 52
참 고 문 헌 56
SUMMARY 60

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