J. Korean Soc. Aeronaut. Space Sci. 50(5), 333-338(2022) DOI:https://doi.org/10.5139/JKSAS.2022.50.5.333 ISSN 1225-1348(print), 2287-6871(online)
초임계 환경으로 분사되는 액체 연료 제트의 분사 거동 특성
안정우1, 최명환1, 이 준2, 구자예3
Characteristics of Liquid Fuel Jet Injected into Supercritical Environment
Jeongwoo An1, Myeung Hwan Choi1, Jun Lee2 and Jaye Koo3
Department of Smart Air Mobility, Korea Aerospace University, Goyang, Republic of Korea1 School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University,
Goyang, Republic of Korea2,3
ABSTRACT
The single jet of decane/methylcyclohexane mixed fuel that is surrogate for kerosene was injected into supercritical environment and visualized using shadowgraph technique. The injection pressure drop of the fuel jet of was kept constant at 0.5 MPa and the experiment was conducted above the critical point of the mixed fuel, and the reduced temperatures of the chamber was changed from 1.00 to 1.23, and the reduced pressures was 1.00 and 1.38. As an index for reducing the density of jets sprayed into the supercritical environment, the brightness intensity of the post-processed jet image was observed with the internal temperature and pressure of the chamber. It was confirmed that the decrease in the brightness intensity of the jet when the temperature inside the chamber increased, and when the pressure inside the chamber was higher at the same temperature, the decrease in the brightness intensity of the jet was delayed. When the pressure inside the chamber is high, it is thought that the change in brightness intensity is delayed due to the increase in the pseudo-critical temperature of the fuel and the increase in the temperature required to reduce the density of the fuel jet.
초 록
쉐도우그래프(Shadowgraph) 기법을 통해 케로신의 대체 물질인 데칸/메틸사이클로헥산 혼합연 료를 사용하는 단일 제트(jet)를 초임계 환경으로 분사하여 제트의 거동을 가시화하였다.
인 연료 제트의 분사 차압 ∆는 0.5 MPa로 일정하게 유지하였고 혼합연료의 임계점 이상에서 실 험을 진행하였으며 챔버 내부 환산온도 를 1.00~1.23, 환산압력 을 1.00, 1.38 로 변화하여 실험결과를 분석하였다. 초임계 환경으로 분사되는 제트의 밀도감소 지표로써 후처리 된 제트 이미지의 밝기 강도를 챔버 내부 온도와 압력을 변화시켜 관찰하였다. 챔버 내부 온도가 상승할 때 제트의 밝기 강도 감소 폭이 커지는 것을 확인하였으며, 동일 온도일 때 챔버 내부 압 력이 높을 경우 제트의 밝기 강도 감소가 지연되는 것을 확인하였다. 챔버 내부 압력이 높을 경우 연료의 유사 임계온도(pseudocritical temperature)가 증가하고 연료 제트의 밀도감소에 필요한 온 도가 상승하여 밝기 강도 변화가 지연되는 근거로 판단하였다.
†Received : January 7, 2022 Revised : March 24, 2022 Accepted : April 3, 2022
1 Graduate Student, 2 Undergraduate Student, 3 Professor
3 Corresponding author, E-mail : jykoo@kau.ac.kr, ORCID 0000-0002-7001-3275 Ⓒ 2022 The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences
Ⅰ. 서 론
로켓 엔진 내부에서 연소는 연료의 열역학적인 임 계점 이상에서 일어난다. 초임계 상태에서 연료는 상 변화에 필요한 증발 엔탈피가 존재하지 않아 임계점 근처에서 밀도, 엔탈피 등 물성치의 연속적인 변화가 존재한다. 물성치의 변화가 기존의 상변화와 다른 로 켓 엔진의 내부에서의 연소를 예측하기 위해 기초적 인 초임계 연구가 필수적이다. 그동안 초임계 상태에 서의 제트 연구가 진행되어 왔는데, Yang 등은 질소 와 이산화탄소를 이용하여 초임계 조건에서 분류의 계면에서의 불안정성을 연구하였다[1]. 또한 Xia 등은 고압에서의 초임계 제트의 침투 거리를 슐리렌 기법 (Schlieren method)을 통해 가시화하며 단일, 이중 충돌 인젝터에서 분사되는 제트를 분석하였다[2,3].
특히 Banuti 등은 초임계 상태에서 유사 임계온도에 대한 고려가 필요하고, 그에 따른 물성치 변화에 주 목할 필요가 있다고 주장하였다[4,5]. 유사 임계온도 는 압력에 따라 정압비열이 최대가 되는 온도로 정 의하였으며, 액체와 기체의 구분이 뚜렷하지 않은 초 임계 상태에서 액체 같은(liquid-like) 영역과 기체 같
은(gas-like) 영역으로 구분 지을 수 있는 임의의 온도
로 정의하였다[4,5]. 유사 임계온도를 도입하면서 유 체가 기존의 실제 임계온도에서 물성치가 크게 변화 하지 않는 것을 반증할 수 있으며 유사 임계온도에 서 유체의 밀도, 엔탈피와 같은 물성치가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 제트 분무의 이미지 분석을 통해 주변 압력과 온도에 따른 제트의 밝기 강도 변화를 초임계 환경으로 분사되는 제트 분사 거동의 지표로 써 활용한다. Dennis L.은 분사되는 디젤엔진의 혼합 거리와 비등에 의한 증발 전까지의 거리를 제시하였
다[6]. 하지만 임계점에 도달하기 전까지 연구를 수
행하였고 초임계 상태 분무에서의 분석은 한계가 있 다. Sebastian 등은 디젤엔진 내부에서 주변 환경에 따른 연료 분무의 상변화 과정을 실험을 통해 초임 계 상태에서의 제트의 액체 영역 길이를 측정하였지 만 분사압이 고정되어 있어 분사 차압이 변하였으며, 유사 임계온도에 대한 영향보다 연료, 챔버 내부 기 체의 밀도비 영향을 연구하였다[7,8]. 본 연구에서는 차압을 일정하게 유지하여 분사 연료의 유량을 일정 하게 유지하였으며 케로신(kerosene)을 모사하는 탄 화수소계열 혼합물질의 연료를 분사하여 챔버 온도 와 압력이 제트 분사 거동에 미치는 영향을 이미지 의 밝기 강도를 통해 분석하였다.
Ⅱ. 본 론
2.1 실험장치 및 실험조건 2.1.1 실험장치
본 연구에 사용된 실험장치에 대해 분무 시스템과 인젝터 형상을 Fig. 1에 도시하였다. 원통 모양의 챔 버 내부 직경, 길이, 부피는 80 mm, 100 mm, 2412 ml이며, 제트 가시화를 위해 직경 100 mm, 두께 30 mm의 원통형 석영유리를 가시화 창에 설치하였다.
분사압과 챔버 내부 압력의 차압 ∆는 0.5 MPa로 유지하였으며, 챔버 외부에는 온도 상승을 위한 밴드 히터가 장착되어 있어 최대 800 K까지 LabVIEW 프 로그램을 통해 실험조건 온도로 가열할 수 있다. 단 일 제트 인젝터의 오리피스 직경()은 0.4 mm, 인젝 터 유로 길이는 10 mm이며, 데이터 측정 후 분사된 연료는 열교환기를 통해 점화온도 이하로 방출된다. 실험장치에 사용된 열전대는 1/16 inch의 K 타입이
며 WIKA의 A-10 압력센서가 압력을 측정하는데 사
용되었고 LabVIEW 9211NI, 9201NI 모델을 통해 온 도, 압력 데이터를 수집하였다. 쉐도우그래프 이미지 는 512×512 해상도와 × s의 셔터속도, 3,000 FPS로 측정되었다.
Fig. 1. Experimental setup and injection system Key Words : Supercritical Fluid(초임계 유체), Pseudocritical Point(유사 임계점), Hydrocarbon Fuel
(탄화수소연료), Shadowgraph Technique(쉐도우그래프 기법)
2.1.2 실험조건
액체로켓의 추진제로 사용되는 케로신은 탄화수소 계열의 혼합물이지만 비교적 높은 임계점을 갖는다.
본 연구에서는 중국 고유 항공유인 China RP-3 케로 신을 구성하는 물질 중 몰분율이 높으며 물리 화학적 유사성이 높은 것이 수치적으로 연구된 데칸(decane) 과 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane)을 몰분율 50%
로 혼합하여 케로신의 모사 연료로 사용하였다[9]. 실 험에 사용되는 질소와 데칸, 메틸사이클로헥산의 임
계점을 Table 1에 나타내었다. 모사 연료로 사용되는
혼합물의 임계압력()과 임계온도()는 2.60 MPa,
602 K이며, 챔버 내부를 이루는 유체인 질소의 임계
점은 3.39 MPa, 126 K이다.
실험조건은 Table 2에 도시되었으며, 본 연구에서 는 크게 두 가지 압력조건으로 실험을 진행하였는데 식 (1)과 식 (2)를 통해 환산압력과 온도로 나타내었 다. 환산압력 은 압력을 연료의 임계압력으로 나눠 준 무차원수이며, 환산온도 은 온도를 연료의 임계
in MPa in K
Kerosene(China RP-3) 2.48 659
Methylcyclohexane 3.48 572
Decane 2.10 617
Experimental mixture 2.60 602
Nitrogen gas 3.39 126
Table 1. Critical properties
in MPa in K ±3 in K
2.6 1.00 602
603 1.00
630 1.05
638 1.06
650 1.08
675 1.12
690 1.15
3.6 1.38 630
630 1.05
650 1.08
675 1.12
700 1.16
720 1.19
730 1.21
742 1.23
Table 2. Experimental conditions
온도로 나눠준 무차원수이다. 챔버 압력()은 2.6,
3.6 MPa에서 실험을 진행하였는데, 임계점 근처와
초임계 상태를 선정하였다. 각 압력에서의 유사 임계 온도()를 602 K, 630 K로 NIST의 SUPERTRAPP 프로그램 계산을 통해 나타내었고 챔버 온도()는 임계점 이상에서 실험을 진행하였다.
(1)
(2)
본 연구에 사용되는 혼합물의 임계 물성치는
SUPERTRAPP 프로그램을 통해 계산하였으며, 혼합
물의 압력-온도 포화 증기 선도를 Fig. 2에 나타내었 다. 임계점 이후 정압비열이 최댓값을 갖는 점을 이 어 유사 임계점을 나타내었다. Fig. 2에서 검은 점은 본 연구의 실험조건인 챔버의 내부 압력과 온도이며, 압력과 온도에 따라 제트 거동을 비교하기 위해 선정 하였다. Fig. 3에 실험조건의 압력에서 밀도(실선)와 정압비열(점선) 변화를 온도에 따라 도시하였으며,
일 때 정압비열의 최댓값이 에서 확인되며 일 경우 에서 정압비열이 최댓값을 갖는다. 정압비열이 최대가 되는 유사 임계 온도 근처에서 온도 상승에 필요한 에너지가 증가하 여 높은 압력일수록 더 높은 온도에서 밀도가 급격히 감소하게 된다. 초기온도가 인 제트가 고온 의 챔버로 분사됐을 때 유사 임계온도가 제트의 밝기 에 미치는 영향을 확인하였다. 배경 이미지를 제거한 뒤 평균화한 제트의 이미지에서 밝기 강도(intensity) 가 낮을수록 제트의 밀도가 높다고 판단하였다. 회색 조 이미지(gray scale image)로 변환한 제트 중심에
Fig. 2. Pressure-temperature saturation vapor curve & experimental conditions
Fig. 3. Critical properties with temperature Density (solid), Isobaric heat capacity (dashed) 서 가장 어두운 값을 1, 가장 밝은 값을 0으로 밝기 강도()를 재설정하였다. Fig. 4(a)에 제트의 33~100 ms에서의 평균 이미지를 나타내었으며, 각각
에서 압력에 따른 회색조 이미지(왼쪽)와 후처리한 이미지(오른쪽)를 나타내었다. 인젝터 출구에서 분사 되는 제트 중심의 x 방향에 따라 변화하는 밝기 강 도를 관찰하였다. 평균 이미지 시간 범위는 액체상태 의 제트가 챔버 바닥에 도달하여 정상발달 상태를 유지하는 시간부터 연료가 챔버 바닥으로부터 15 mm 높이까지 차오르는 시간까지를 기준으로 하였 다. Fig. 5에 분사 초기 상태인 5 ms에서의 제트의 이미지와 액체 제트의 정상발달 상태인 50 ms에서의 제트의 이미지를 나타내었다. 또한 챔버 바닥에서 15 mm 이상의 높이에서 제트 침투 거리 길이를 비교할
(a) (b)
Fig. 4. Averaged jet penetration, spray angle measurement, (a) Jet penetration, (b) Spray angle
Fig. 5. Instantaneous jet image at , 5 ms and 50 ms after injection
수 있는 밝기 강도 값으로 0.85를 선정하였다. 이런 기준을 통해 챔버의 내부 조건에 따른 설정한 밝기 강도까지의 제트 침투 거리를 비교하였다. Fig. 4(b)에 는 제트 분무 직후 33~100 ms까지의 회색조 이미지 200장을 평균화한 이미지를 밀도구배 이미지로 변환 하여 제트와 질소의 계면에서 밀도변화가 커지는 구 간의 평균값을 기준으로 분무각을 측정하였다. 2.2 실험결과
실험결과는 Fig. 6에 제트 분무 직후 33~100 ms 의 회색조 이미지 200장을 평균화한 제트의 중심 이 미지 밝기 강도를 도시하였다. Fig, 6에서 낮은 온도 의 연료가 가열된 챔버로 분사되었을 때 인젝터에서 멀어질수록 외부 질소의 열전달로 인해 밀도가 감소 하면서 제트의 밝기가 밝아지는 것을 확인할 수 있 다. 챔버 압력이 일 때 제트의 침투 거리가 Fig. 6(a)에 나타나며, 챔버 압력이 일 때 제 트의 침투 거리를 Fig. 6(b)에 도시하였다. 두 그래프 에서 x축은 Fig. 4(a)에 나타낸 제트의 침투 거리(x) 를 챔버의 길이()로 나누어 나타내었고 y축은 회색 조 이미지의 밝기 강도()를 나타내었다. Fig. 6(a), (b)에서 나타난 두 압력조건 모두 챔버 온도가 상승 할수록 제트의 평균 밝기가 밝아지며 밝기 강도가 빠르게 낮아지는 것을 관찰하였다. Fig. 6(c)에서 챔 버 온도가 로 동일할 때 챔버 내부 압력이
일 경우 일 때보다 제트의 밝기가 어둡게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 챔버 내부 압 력이 상승하면 높은 온도의 질소 가스가 제트로 유 입(entrainment)되는 질량유량이 증가하지만, 유사임 계온도의 영향으로 밀도감소가 지연되어 제트의 후 방까지 밝기 강도가 높게 유지된다고 판단하였다.
Figure 6에 도시된 제트 침투 거리에서 선정한 밝 기 강도보다 어두운 밝기의 제트의 거리를 측정하여
Fig. 7에 도시하였다. 선정한 밝기 강도에서 챔버 압
력이 높을 때 모든 온도 구간에서 더 긴 제트 침투 거리를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 주변 압력이 상승하면 제트의 유사 임계온도가 상승하여 밀도가 더 높게 유지되는데 이러한 영향으로 같은 온도에서
일 때 일 때보다 동일한 밝기 강도
(a)
(b)
(c)
Fig. 6. Intensity with jet penetration length graph (a) , (b) , (c) at
Fig. 7. Jet penetration length with reduced pressure and temperature at
에서 제트 침투 거리가 증가하는 것을 확인할 수 있 다. 이는 Fig. 2와 Fig. 3(a)에 표시한 압력이 높을수 록 유사 임계온도가 상승하여 높은 밀도를 유지할 수 있음에 기인한다고 판단하였다.
Arnab Roy 등은 초임계 제트의 분무각에 관한 실
험적 연구를 진행하였는데, 유체 특성에 따라 달라지 는 상수 를 갖는 식 (3)을 제시하였으며 액체 플루오 로케톤, 기체 질소 혼합 시 상수 를 0.4로 제시하였
다[10]. 본 연구에서는 데칸, 메틸사이클로헥산 몰분율
50%의 연료를 질소 환경으로 분사했을 때 상수 a가 0.66로 실험값과 유사한 경향성을 보였다. Fig. 8에는 챔버 내부의 압력과 온도에 따른 제트의 분무각을 밀 도비의 제곱근에 따라 도시하였다. 식 (3)을 이용하여 비슷한 온도 조건에서 일 때, 일 때 보다 분무각이 작은 것이 관찰되는데 이는 챔버 내부 를 채우는 질소의 밀도()와 분사되는 연료 밀도() 비의 영향이 있는 것으로 확인된다.
Fig. 8. Spray spreading angle with square root of density ratio by Eq. (3)
(3)Figure 8에 측정한 분무각과 식 (3)의 선형회귀 선 (기울기: 0.66)을 도시하였고, 결정계수 값이 0.77로 분무각이 밀도비의 제곱근과의 상관관계가 높다는 것을 확인하였다. 이러한 밀도비의 제곱근은 챔버 내 부의 온도와 압력에 영향을 받으며 온도가 상승하면 질소 밀도가 제트의 밀도보다 빠르게 감소한다. 온도 상승으로 인한 질소 기체의 밀도감소로 제트와의 충 돌이 줄어들고 이에 따라 제트의 퍼짐(spreading) 정 도가 감소하여 분무각이 감소하였다고 판단된다. 챔 버 내부 압력 상승의 경우 밀도가 높아진 질소 기체 분자가 분사되는 제트와 더 자주 충돌하게 되어 분 무각이 증가하는 것으로 판단된다.
Ⅲ. 결 론
본 연구에서는 액체로켓의 연료로 주로 사용되는 케로신을 모사하는 탄화수소계열 연료로 데칸/메틸 사이클로헥산 혼합물을 이용하여 초임계 환경으로 분사되는 제트의 분무 특성을 관찰하였다. 초임계 상 태에서 온도, 압력에 따라 밀도와 엔탈피 등 물성치 가 달라지는 지점인 유사 임계점이 제트 밀도변화에 미치는 영향을 후처리한 제트의 밝기 강도로 나타내 분무 특성을 관찰하였다. 액체 연료 제트가 분사되는 주변 환경의 온도가 높을수록 제트의 밀도가 감소하 여 밝기 강도가 감소하는 경향을 확인하였다. 연료가 분사되는 주변 환경의 압력이 상승할 경우 유사 임 계온도가 상승하여 액체 연료의 밀도가 유지되는 온 도가 높아지게 되고 챔버의 질소 환경으로 침투하는 제트의 밝기 강도가 높게 유지되어 제트의 밀도감소 를 지연시키는 경향성을 관찰하였다. 또한 초임계 환 경으로 분사되는 혼합 액체연료의 분무각은 분사 차 압이 같을 경우 연료 질소의 밀도와 제트의 밀도비 의 제곱근에 비례하는 경향성을 확인하였다. 이러한 밀도비의 제곱근은 챔버 내부의 온도와 압력에 영향 을 받게 된다. 챔버 온도가 상승할 경우 질소 기체의 밀도감소로 제트와의 충돌이 줄어들고 이에 따라 제 트의 퍼짐(spreading) 정도가 감소하여 분무각이 감 소하였다고 판단하였다. 챔버 내부 압력 상승의 경우 밀도가 높아진 질소 기체 분자가 분사되는 제트와 더 자주 충돌하게 되어 분무각이 증가하는 것으로 판단하였다.
후 기
본 연구는 개인기초연구지원사업(2016R1D1A1 B04 934852)의 지원 및 2020년 한국연구재단 BK21 Four
(과제번호 5199990714521)의 지원을 받아 작성하였습 니다.
References
1) Yang, V., Nienchuan, N. and Shuen, J. S.,
“Vaporization of liquid oxygen (LOX) droplets in supercritical hydrogen environments,” Combustion Science and Technology, Vol. 97, Issue 4-6, 1994, pp.
247~270.
2) Xia, J., Huang, Z., Zhang, L., Zhang, Q., Zheng, L., Liu, R., Ju, D. and Lu, X., “Experimental comparisons on injection and atomization characte- ristics of diesel and its six-component surrogate under different critical conditions of marine enꠓ gine,” Energy Conversion and Management, Vol. 205, 2020, 112397.
3) Xia, J., Zhang, Q., He, Z., Wang, J., Liu, R., Qian, Y., Ju, D. and Lu, X., “Experimental study on diesel’s twin injection and spray impingement characteristics under marine engine’s conditions,”
Fuel, Vol. 302, 2021, 121133.
4) Banuti, D. and Hannemann, K., “The absence of a dense potential core in supercritical Injection:
A thermal break-up mechanism,” Physics of Fluids, Vol. 28 No. 3, 2016, 035103.
5) Banuti, D. and Hannemann, K., “Supercritical Pseudo-Boiling and its Relevance for Transcritical Injection,” 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 2014, 3571.
6) Siebers, D. L., “Scaling liquid-phase fuel penetration in diesel sprays based on mixing- limited vaporization,” SAE transactions, 1999, pp.
703~728.
7) Riess, S., Rezaei, J., Weiss, L., Peter, A. and Wensing, M., “Phase change in fuel sprays at diesel engine ambient conditions: Modeling and experimental validation,” The Journal of Supercritical Fluids, Vol. 173, 2021, 105224.
8) Rezaei, J., Riess, S. and Wensing, M., “Phase change in fuel sprays at diesel engine ambient conditions: Impact of fuel physical properties,” The Journal of Supercritical Fluids, Vol. 170, 2021, 105130.
9) Xu, K. and Meng, H., “Analyses of surrogate models for calculating thermophysical properties of aviation kerosene RP-3 at supercritical pressures,”
Science China Technological Sciences, 2015, Vol. 58, No. 3, 2015, pp. 510~518.
10) Roy, A., Segal, C. and Joly, C., “Spreading angle and core length analysis of supercritical jets,”
AIAA Journal, Vol. 51, No. 8, 2013, pp. 2009~2014.
