과열도가 감압비등 분무에 미치는 영향에 관한 연구 :Study on the effect of superheated degree on flash boiling spray

강동현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강동현 (경남대학교, 경남대학교 대학원)

지도교수: 이현창

발행연도: 2023

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2023

과열도가 감압비등 분무에 미치는 영향에 관한 연구

강동현 기계융합공학과 2023.01 학위논문

2022

과열도가 감압비등 분무에 미치는 영향에 관한 연구

강동현 , 차현우 , 이현창 한국추진공학회 학술대회논문집 2022.11 학술대회자료

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감압비등 분무란 분사온도에 해당하는 포화압력보다 대기압력이 낮거나 혹은 대기압력에 해당하는 포화온도보다 분사온도가 높을 때 발생하는 미립화의 한 종류로서 스크램젯, 액체로켓, 내연기관 등과 같이 현대공학시스템에서 흔히 접할 수 있다. 이러한 감압비등을 지배하는 물리적 현상으로는 미세 기포핵 성장으로 알려져 있으며, 기포핵 크기 및 생성 위치에 따라 분무특성이 달라진다. 이는 곧 연소 효율 및 유해가스 감소와 직접적인 연관이 있기 때문에 기포핵과 감압비등의 관계에 대한 이해와 분무특성에 영향을 미치는 변수를 파악하는 것이 중요하다.
기포핵의 성장은 과열도로 나타낼 수 있으며, 현재 과열도에 따른 기포핵 생성 및 성장과 이로 인한 감압비등 분무 형상 변화를 나타내기 위해 많은 연구들이 진행되었다. 선행연구에서는 감압비등 분무를 정의할 때 대기압력만을 고려하였다. 하지만 내부감압비등의 경우, 기포핵이 노즐 내부에서 생성되기 때문에 노즐 내부 압력을 고려하는 것이 적합하다고 추측된다. 따라서 본 논문에서는 대기압력을 고려한 과열도와 노즐내부압력을 고려한 과열도 둘 다를 고려하여 과열도가 감압비등 분무에 미치는 영향에 관한 연구를 진행하였다.
감압비등 분무구현을 위해 진공챔버, 인젝터, 노즐 등을 설계 및 제작하였고, 고속 역광 이미징을 이용하여 감압비등 분무를 관찰하였다. 분무형상은 분열정도에 따라 다양한 형상으로 분무되는 것을 관찰할 수 있었으며 기계적분열(Mechanical Breakup)부터 외부감압비등(External Flash Boiling), 내부감압비등1(Internal Flash Boiling1), 내부감압비등2(Internal Flash Boiling2)로 분열하였다. 종모양으로 분무되는 완전감압비등은 관찰하지 못하였는데, 이는 기포핵이 완전히 성장하기에는 과열도 값이 현저히 낮았기 때문으로 추측되며, 과열도를 증가시키면 완전 미립화인 완전감압비등 또한 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
분열정도에 따라 구분한 분무형상과 실험데이터를 바탕으로 선행연구에서 제시한 분열기준 부합여부를 판단하였을 때, 대체적으로 부합하지 못하는 것을 확인하였다. 이는 데이터 계산 과정에서 발생한 오차와 더불어 선행연구와 본 연구의 분열기준이 일치하지 않기 때문에 발생한 것으로 추측된다.

Flash boiling spray is a type of atomization that occurs when the atmospheric pressure is lower than the saturation pressure or higher than the saturation temperature, which is common in modern engineering systems such as scramjet, liquid rocket, and internal combustion engine. The physical phenomena that dominate this flash boiling are known as microbubble nucleus growth, and spray characteristics vary depending on the size and generation location of the bubble nucleus. Since this is directly related to combustion efficiency and reduction of harmful gases, it is important to understand the relationship between bubble nuclei and decompression ratios and to identify variables that affect spray characteristics.
Growth of bubble nuclei can be indicated by the degree of overheating, and many studies have been conducted to indicate the generation and growth of bubble nuclei according to the degree of overheating and the resulting changes in spray shape, such as flash boiling. In previous studies, only atmospheric pressure was considered when defining flash boiling spray. However, in the case of internal flash boiling, it is assumed that it is appropriate to consider the pressure inside the nozzle because the bubble nucleus is generated inside the nozzle. Therefore, in this paper, the effect of superheat on flash boiling spray was studied by considering both the superheat considering atmospheric pressure and the internal pressure of the nozzle.
Vacuum chambers, injectors, and nozzles were designed and manufactured to implement flash boiling spray, and flash boiling spray was observed using high-speed backlight imaging. It was observed that the spray shape was sprayed into various shapes according to the degree of division, and it was divided into mechanical breakups, external flash boiling, internal flash boiling 1, and internal flash boiling 2. The complete flash boiling sprayed in the shape of a bell was not observed, which is presumed to be because the superheat value was significantly low for the bubble core to fully grow, and it is expected that the complete flash boiling, which is completely atomized, can be implemented by increasing the superheat.
Based on the spray shape and experimental data classified according to the degree of division, when determining whether the division criteria proposed in previous studies were met, it was generally confirmed that they were not met. This is thought to have occurred due to the calculation error of this study, and at the same time, it is estimated that it was caused by the mismatch between the previous study and the classification.

#감압비등 #과열도 #기포핵의 생성 및 성장

Ⅰ. 서론 = 1
1.1 연구배경 = 1
1.2 연구동향 = 2
1.3 연구목적과 내용 = 8
Ⅱ. 이론적 배경 = 9
2.1 기포핵 생성과 성장 = 9
2.2 유량계수 = 12
Ⅲ. 실험방법 = 14
3.1 실험장치 = 14
3.1.1 분사부 = 16
3.1.2 진공부 = 18
3.1.3 회수부 = 20
3.1.4 이송부 = 21
3.1.5 측정부 = 22
3.2 측정방법 = 23
3.2.1 유량계수 측정 셋업 = 23
3.2.2 역광이미징 측정 셋업 = 28
3.3 실험절차 수립 = 29
3.3.1 실험절차 수립을 위한 진공도 변화 관찰 = 29
3.3.2 진공 분사 실험절차 = 31
Ⅳ. 실험결과 = 32
4.1 과열도에 따른 감압비등 분무의 발달 = 32
4.1.1 분사온도 증가에 따른 감압비등 분무 관찰_Taper 노즐 = 33
4.1.2 대기압력 감소에 따른 감압비등 분무 관찰_Taper 노즐 = 36
4.1.3 분사압력 증가에 따른 감압비등 분무 관찰_Taper 노즐 = 42
4.1.4 분사온도 증가에 따른 감압비등 분무 관찰_Sharp edge 노즐 = 43
4.1.5 대기압력 감소에 따른 감압비등 분무 관찰_Sharp edge 노즐 = 46
4.2 감압비등 분열정도에 따른 Map = 52
4.3 감압비등 분열에 따른 데이터 차트 = 61
4.4 에 따른 그래프 분석 = 70
4.5 에 따른 그래프 분석 = 72
Ⅴ. 결론 및 향후계획 = 74
5.1 결론 = 74
5.2 향후계획 = 76
참고문헌 = 77
ABSTRACT = 79

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