전단동축형 분사기들의 미립화 특성에 대한 연구
안종현
*ㆍ이근석
*ㆍ안규복
†Study on Atomization Characteristics of Shear Coaxial Injectors
Jonghyeon Ahn, Keunseok Lee and Kyubok Ahn
Key Words: Atomization characteristics(미립화 특성), Breakup length(분열길이), Cold-flow test(수류실험), Shear coaxial injector(전단동축형 분사기), Spray angle(분무각)
Abstract
Six shear coaxial injectors with different recess length and taper angle were manufactured. Cold-flow tests on the injectors were performed at room temperature and pressure using water and air as simulants. By changing the water mass flow rate and air mass flow rate, spray images were taken under single-injection and bi-injection. Breakup length and spray angle were analyzed from instantaneous and averaged spray images using image processing techniques. For all the injectors, the breakup length generally decreased as the momentum flux ratio increased at the same gas mass flow rate. The injectors with 7.5° taper angle usually had the longest breakup length and the smallest spray angle. When the taper angle was 15° or more, it hardly affected breakup length and spray angle. The recess length did not influence breakup length but its effect on spray angle depended on the taper angle.
기호설명
Dg : 분사기 연료쪽 출구 직경 Dl : 분사기 산화제쪽 출구 직경 J : 운동량 플럭스 비 LB : 분열길이 LR : 리세스 길이 : 기체 질량유량 : 정격조건에서의 기체 질량유량 : 액체 질량유량 : 정격조건에서의 액체 질량유량 Vg : 기체 속도 Vl : 액체 속도 2α : 테이퍼 각도 θS : 분무각 ρg : 기체 밀도 ρl : 액체 밀도1. 서 론
재사용 및 친환경 발사체 시장이 확대됨에 따라 메탄 엔진 개발을 위한 기초연구가 국내 여러 대학 및 연구 기관에서 진행되고 있다(1-5). 액체메탄과 액체산소를 추 진제로 하는 팽창기 사이클 메탄엔진에서는 액체메탄이 연소실 재생냉각채널에서 상변화되기 때문에 분사기로 는 기체메탄이 공급되게 된다. 또한 액체/기체 추진제 조합을 사용하는 액체로켓엔진에는 구조가 간단한 전단 동축형 분사기가 널리 사용되고 있으며, 대표적인 엔진 으로는 SSME(space shuttle main engine), Ariane 5 Vul-m·gm·gd m·l m·ld
(Received: 8 Jan 2021, Received in revised form: 26 Jan 2021, Accepted: 27 Jan 2021)
*충북대학교 기계공학부
†책임저자, 회원, 충북대학교 기계공학부
E-mail : [email protected]
cain 등이 있다(6-7). 전단동축형 분사기에서의 미립화는 축방향으로 분 사되는 두 추진제의 밀도, 속도 차이로 전단력이 형성 되고, 이로 인해 분무 표면에 불안정이 발생되며 이루 어진다(8). 이때 미립화 성능은 분사기 설계에 따른 리 세스(recess) 길이, 테이퍼 각도, 벽면 두께 등의 형상 학적 변수에 크게 영향을 받는다(9,10). 따라서 여러 형 태의 내부 구조를 갖는 전단동축형 분사기에 대해 수 류실험 및 연소시험이 진행되어왔다. Tani(9)등은 리세 스 길이와 테이퍼 각도 증가에 따라 분무각과 분열길 이가 증가함을 확인하였다. Fusetti(11)등은 LOx(liquid
oxygen) 포스트(post)의 두꺼운 벽면 두께가 LOx 코어 를 쉽게 분열시키고 연소효율을 향상시켰다고 하였다. Woodward(12)등은 LOx 포스트의 동심도와 리세스의 유무에 따른 전단동축형 분사기의 실험을 통해 LOx 포스트가 비동심일 때 연소특성속도 효율이 더 낮은 것을 보고하였다. 본 연구팀은 3톤급 메탄엔진 개발을 위해 리세스 길이와 테이퍼 각도를 변수로 전단동축형 후보 분사 기들을 제작하였고, 수류실험을 통해 분사기 설계 시 기초적인 요구조건인 분사차압과 유량계수를 살펴보 았다(13). 이에 대한 후속연구로 본 논문에서는 이미지 프로세싱을 이용하여 전단동축형 분사기의 내부 형상 에 따른 미립화 특성인 분열길이와 분무각을 연구하 였다.
2. 실험장치 및 방법
Figure 1은 본 연구에 사용된 수류실험장치의 개략도 이다. 수류실험은 상온/상압의 환경에서 물과 공기를 모 사 추진제로 사용하여 각각의 질량유량을 개별적으로 조절하며 진행하였다. 물 유량은 고압 공기탱크와 레귤 레이터를 이용하여 물탱크를 일정한 압력으로 가압한 후 니들 밸브와 질량유량계(Micromotion, F025A, uncertainty ± 0.20%)를 통해 조절하였다. 공기 유량은 고압 공기탱 크와 레귤레이터를 사용하여 MFC(MKP, VIC-D240, uncertainty ± 1.0%) 전단의 압력을 일정하게 유지한 후 MFC 컨트롤러(ISVT, IMC1300)의 설정으로 원하는 유 량을 공급하였다. 모든 추진제 공급라인에 90 µm 필터 를 설치하여 실험 중 이물질의 유입을 방지하였다. 산화제, 연료 매니폴드에 설치된 튜브를 분기하여 K-type 열전대(Sentech, uncertainty ± 1.5 K)와 압력계(Sen-sys, PSH-15B/5B, uncertainty ± 0.15%)를 설치하고 각 추진제의 온도와 압력을 계측하였다. 질량유량, 온도, 압력 등의 신호 데이터는 NI-cDAQ를 통해 1,000 Hz의 샘플링 속도로 수집되었으며, 분사기 내 추진제의 유속 (Vg, Vl)과 운동량 플럭스 비(J) 계산에 사용되었다. 분 무 이미지의 경우 분무를 중심으로 고속카메라(Vision Research, Phantom v9.1)와 제논광원(Polarion, PS-NP1) 을 마주보게 설치하여, 2 µs의 노출시간과 1,000 Hz의 속도로 실험조건 당 200장의 사진을 촬영하였다.LAB 이미지 프로세싱 코드를 활용하여 분무의 순간 이 미지와 실험조건 별로 픽셀 값을 평균한 평균 이미지로 부터 미립화 특성인 분열길이와 분무각을 분석하였다. 전단동축형 분사기의 연소 및 미립화 성능에 큰 영향 을 준다고 알려진 리세스 길이와 테이퍼 각도를 변수로 총 6종의 분사기가 제작되었으며 각 형상학적 변수를 Table 1에 정리하였다. Fig. 2는 분사기의 단면도이며, Dl, Dg는 각각 4.2, 5.8 mm이다(13). 실제 추진제를 사용 하는 연소시험에서 액체산소는 8개의 유입홀을 통해 내 부 산화제 오리피스로 공급되어 축방향으로 분사된다. 매니폴드를 통해 공급된 기체메탄은 산화제 오리피스의 주위 환형 공간으로 액체산소와 같은 축방향으로 빠져 나가게 된다. 이때 연료는 산화제에 비해 10배 이상의 빠른 속도를 갖기 때문에 두 추진제 간의 속도 차와 밀 도 차에 의해 발생하는 전단력이 미립화의 주요한 메커 니즘이 된다. 제작된 분사기는 진공추력 3톤급 메탄엔진에 적용을 목표로 설계되었다. 정격조건에서 연소실 압력은 50 bar, 단일 분사기에 해당하는 추진제의 유량은 액체산소 181.17 g/s, 기체메탄 50.33 g/s이다. 이를 분사기 내부에 서의 조건으로 계산 시 액체산소는 11.82 m/s, 기체메탄 은 245.79 m/s의 속도를 갖는다. 상온, 상압의 수류실험 환경에서 연소실 내부 추진제 분무를 모사하기 위해 유 속을 동일하게 설정하였다(13). 동일 유속으로 설정하여 계산된 상온, 상압 수류실험 정격유량은 물 163.69 g/s, 공기 2.55 g/s이다. 이를 기준으로 물과 공기를 독립적으 로 분사하는 단일분사 실험은 각 질량유량을 30%에서 120%까지 10%씩 증가시키며 수행하였다. 물과 공기를 동시에 분사하는 혼합분사 실험의 경우, 공기의 질량유 량을 정격조건과 그 절반으로 고정한 후 물의 질량유량 을 단일분사와 동일하게 조절하여 실시하였다. 상세한 실험조건을 Fig. 3에 도시하였다.
3. 실험결과
3.1 분무 이미지 액체와 기체의 질량유량에 따른 미립화 영향을 살펴 보기 위해 Fig. 4에 여러 실험조건에서 Inj #1 분사기의 순간 분무 이미지들을 나타내었다. Fig. 4에서 세로방향 은 액체의 질량유량을, 가로방향은 기체의 질량유량 증 가를 나타낸다. 액체 유량 증가에 따라 액주가 눈에 띄 게 발달하였다. 기체 유량 증가에 따라 분무 표면이 뿌 옇게 보이는데, 이로부터 두 추진제 간의 전단력으로 인 해 미립화 현상이 발생했다는 것을 알 수 있다. 하지만 이와 같은 현상은 동일 공기 유량 조건에서 액체의 질 Table 1 Geometrical parameters of the shear coaxialinjec-tors Injector No. LR 2α #1 0 mm 7.5° #2 0 mm 15° #3 0 mm 30° #4 5 mm 7.5° #5 5 mm 15° #6 5 mm 30°
Fig. 2 Cross-section of the injector
Fig. 3 Nominal and Experimental conditions of cold-flow tests
량유량이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 액체 유량 증가에 따라 축방향으로 분사되는 액체 의 유속이 증가하고 기체와의 상대속도가 줄어들기 때 문이다. 즉, 식 (1)과 같이 운동량 플럭스 비로 나타내었 을 때 운동량 플럭스 비가 더 높은 실험조건에서 미립 화가 더욱 활발해진다는 것을 의미한다. 또한 액체 유량 증가에 따라 분열길이가 감소하다 다시 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 3.2절에서 정량적으로 살펴보 았다. (1) Figure 5는 정격조건에서의 액체 단일분사와 혼합분 사 순간 분무 이미지들을 나타낸다. 액체 단일분사에 해 당하는 = 0%의 결과를 살펴보면 리세스가 없는 Inj #1, #2, #3에서 테이퍼 각도의 크기에 따라 분무각에 차이가 남을 확인할 수 있다. 테이퍼 각도가 7.5°로 가 장 작은 Inj #1은 가장 작은 분무각을 보였으며, 15°의 테이퍼 각도를 갖는 Inj #2는 분무각이 가장 크게 나타 났다. 하지만 테이퍼 각도가 30°로 가장 컸던 Inj #3의 경우 오히려 Inj #2에 비해 더 작은 분무각을 갖는다. 이 는 너무 큰 테이퍼 각도로 인해 액체 유동이 테이퍼 벽 면을 따르지 못하고 박리되기 때문으로 생각된다. 이와 같은 현상은 테이퍼 각도가 동일하고 5 mm의 리세스를 갖는 Inj #4, #5, #6에서도 유사하게 나타난다. Reneau(14) 등에 따르면 유속의 과도한 감속이 시도될 때 유동박리 혹은 스톨이 발생하며 유로의 길이-직경 비에 따라 이 와 같은 박리현상이 발생할 수 있는 최대 각도를 경험 적으로 확인하였다. 본 연구에서 사용된 분사기의 경우 테이퍼 영역의 길이-직경 비에 따라 박리가 발생할 수 있는 최대각도는 약 25°로 예상되며 이러한 결과로부터 일반적으로 전단동축형 분사기 설계 시 왜 15°의 테이 퍼 각도가 추천되는지 이유를 알 수 있었다. = 100%의 혼합분사 결과를 보면 테이퍼 각도 는 7.5°로 동일하지만 Inj #4가 Inj #1에 비해 분무 표면 에서의 미립화가 활발한 것을 알 수 있다. 이는 리세스 영역에서 내부혼합이 발생하여 리세스가 없는 분사기에 비해 혼합성능이 증대되기 때문이다. 테이퍼 각도가 다 른 분사기들에서도 유사한 현상을 확인할 수 있다. 3.2 분열길이 분사기 내부 형상에 따른 미립화 특성을 분석하기 위 해 MATLAB 이미지 프로세싱 코드를 활용하여 분열길 이(LB)와 분무각(θS)을 측정하였다. 분열길이는 Fig. 6과 같은 방법으로 구하였다. Grayscale 이미지 픽셀 값의 분산이 최소가 되도록 설정하는 Otsu의 방법(15)을 통해 임계값을 계산한 후, 원본 순간 분무 이미지를 이진화하 J ρgVg 2 ρlVl 2 ---= m·g⁄m·gd m·g⁄m·gd
Fig. 4 Instantaneous spray images of Inj #1 according to the mass flow rates of water and air
여 흑백 이미지로 만들었다. 이를 통해 분사기 출구로부 터 액주가 분열되는 지점까지의 수직 길이를 분열길이 로 정의하였다. 각 실험조건 별로 촬영된 200장의 분무 이미지를 사용하여, 200개 분열길이 결과의 평균값을 분사기 산화제 오리피스 출구 직경(Dl)으로 나누어 무차 원화 하였다. Figure 7은 기체/액체 질량유량에 따른 분열길이를 각 분사기별로 표현한 그래프이다. 먼저 테이퍼 각도가 7.5°로 가장 작은 Inj #1을 살펴보면 이 60% 이 하에서는 액체 유량 증가에 따라 분열길이가 감소하였 고 그 이상에서는 반대로 분열길이가 증가하였다. 동일 한 경향성은 테이퍼 각도가 15°, 30°인 Inj #2, Inj #3에 서도 확인되었지만, 분열길이는 전반적으로 Inj #1에 비 해 상당히 낮아졌다. 이러한 원인은 3.1절의 분무 이미 지 결과로부터 알 수 있다. 모든 분사기에서 이 40%부터 60%까지는 출구면부터 액주가 매우 불안정하 게 떨리며 진동하는 현상이 발견되었다. 이 현상은 테이 퍼 각도, 리세스 유무, 기체 유량과 상관없이 나타났기 때문에, 특정 액체 유량 범위에서 산화제 유입홀에서의 충돌로 인해 발생한 불안정이 분무까지 전달된 것으로 생각된다. 가 60% 이하인 유동이 불안정한 결과들을 제 외하고, 분열길이를 운동량 플럭스 비로 나타내어 Fig. 8에 도시하였다. 공기의 유량조건이 달라 운동량 플럭스 비로 나타내었을 때 두 결과가 일치하지는 않았지만, J 증가에 따라 분열길이가 감소하는 경향성은 동일하였다. 각 분사기에 따른 경향성은 리세스 길이가 아닌 테이퍼 각도가 같은 분사기끼리 일치하였다. 액체/액체로 분사 되는 이중와류동축형 분사기와 달리 기체/액체로 분사 되는 전단동축형 분사기에서의 리세스 효과는 크지 않 았다. 테이퍼 각도가 가장 작았던 Inj #1, #4에 비해 테 이퍼 각도가 15° 이상에서는 분열길이에 큰 차이가 없 었다. 3.3 분무각 전단동축형 분사기의 특징으로 인해 분무 표면이 불 안정하여 순간 이미지를 통해 분무각을 측정하는 것은 m·l⁄m·ld m·l⁄m·ld m·l⁄m·ld
Fig. 5 Instantaneous spray images under single-injection and bi-injection
Fig. 6 Determination of breakup lengths by the image processing technique
어려웠다. 따라서 각 실험조건 별로 분무 이미지의 픽셀 값을 평균한 평균 이미지를 분석하는 방법을 사용하였 다. Fig. 9는 평균 이미지와 MATLAB 코드를 통해 이진 화한 흑백 이미지의 예시를 보여준다. 임계값은 분열길 이와 마찬가지로 평균 이미지에서 Otsu의 방법(15)을 사 용하여 계산하였으며, 분무각이 가장 발달되었다고 판 단된 분사기 출구 3 mm 지점에서 5 mm까지의 축방향 길이에서 분무각을 측정하였다. 모든 실험조건에서 분무각 결과를 각 분사기별로 정 리하여 Fig. 10에 나타내었다. 분열길이 결과와 마찬가 지로 이 60%인 액체 유량을 기준으로 전반적으 로 경향성이 다르게 나타나고 있다. 이 70% 이 상인 조건에서는 테이퍼 각도에 따라 차이를 보이고 있 다. 테이퍼 각도가 7.5°인 Inj #1, #4의 경우 액체 유량 증가에 따라 분무각이 감소하나, 테이퍼 각도가 큰 나머 지 분사기들은 유량에 따라 분무각이 아주 조금씩 증가 m·l⁄m·ld m·l⁄m·ld Fig. 7 Breakup length results for each injector
하였다. Figure 11은 가 60% 이하인 결과를 제외하고 분무각을 운동량 플럭스 비로 표현한 그래프이다. 리세 스가 없는 분사기들의 경우, 테이퍼 각도가 7.5°인 Inj #1이 다른 분사기들에 비해 분무각이 크게 작은 것을 알 수 있다. 5 mm의 리세스를 갖는 Inj #5, 6은 Inj #2, 3에 비해 분무각이 감소하였는데, 이는 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 분사기 내에서 이미 액주가 기체의 빠른 유속에 감싸여 반경방향 운동량을 잃었기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
전단동축형 분사기의 리세스 유무와 테이퍼 각도에 따른 미립화 특성을 확인하기 위해 상온, 상압 조건에서 물과 공기를 모사 추진제로 사용하여 수류실험을 수행 하였다. 분사기는 내부 형상에 따라 총 6종류가 제작되 었으며, 고속카메라와 제논광원을 이용하여 분무 이미 지를 촬영하였다. MATLAB 이미지 프로세싱 코드를 사 용하였으며 분무 이미지로부터 분열길이와 분무각을 분 석하였다. 분무 이미지로부터 액체 질량유량과 기체 질량유량에 따른 미립화 특성의 변화를 육안으로도 확인할 수 있었 다. 모든 분사기에서 이 40%부터 60%까지는 액 주가 매우 불안정하게 떨리는 현상이 발생하였다. 유동 이 안정적이었던 이 70% 이상에서 테이퍼 각도 가 15°인 분사기의 분열길이는 테이퍼 각도 7.5°인 분사 기에 비해 매우 줄어들었으며, 테이퍼 각도 30°인 분사 기보다도 미세하게 작았다. 모든 분사기에서 운동량 플 럭스 비의 증가에 따라 분열길이는 전반적으로 감소하 m·l⁄m·ld m·l⁄m·ld m·l⁄m·ld Fig. 9 Definition of spray angles by the imageprocess-ing technique
였으며, 리세스의 유무는 분열길이에 큰 영향이 없었다. 분무각은 리세스가 없는 분사기들의 경우 테이퍼 각 도 7.5°인 분사기가 다른 분사기들에 비해 크게 작았다. 테이퍼 각도가 15° 이상인 경우 분무각은 리세스 내 내 부혼합의 영향을 받아 감소하였으며, 테이퍼 각도의 증 가에 거의 영향을 받지 않았다. 본 연구에서는 전단동축형 분사기의 미립화 특성을 살 펴보기 위해 이미지 프로세싱 분석 방법을 사용하였다. 분사기의 경향성을 확인하기에는 충분하였지만, 전단동 축형 분사기의 정량적인 분석에는 한계가 있었다. 또한 실제 연소 환경을 모사하기 위해 추진제와 모사 추진제의 유속을 동일하게 하여 실험조건을 설정하였지만, 점성, 표면장력 등과 같은 물성 차이가 미립화에 영향을 주며 완벽한 연소 환경의 모사라고는 보기 힘들다. 하지만 전 단동축형 분사기에서 기체 연료와 액체 산화제 간의 운동 량 차이가 미립화 과정에 있어 주요한 영향을 끼치며 이 에 따른 분무형상과 분무각의 경우 실제 추진제를 사용하 였을 때와 큰 차이가 없을 것으로 예상된다. 고압 환경에 서 실험을 진행할 시 밀도 차이가 줄어 본 연구보다 연소 실 환경을 한층 더 유사하게 모사할 수 있을 것으로 생각 되며 향후 연구에서는 PDPA(Phase Doppler Particle Ana-lyzer)를 사용하여 정량적인 미립화 특성의 분석과 함께 고압 환경에서 추가적인 실험을 수행할 계획이다.
후 기
본 논문은 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연 구재단의 지원(2018M1A3A3A02065683, NRF-2019M1A3A1A0 2076962)을 받아서 수행되었으며, 이에 감사드립니다.참고문헌
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