Study of Experimental and Numerical Analysis on Behavior Characteristics of Emulsified Fuel

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(1)한국동력기계공학회지 제21권 제4호 pp. 34-41 2017년 8월 ISSN 1226-7813(Print) ISSN 2384-1354(Online) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2017.21.4.034 Vol. 21, No. 4, pp. 34-41, August 2017. 에멀젼연료 거동특성에 관한 실험 및 수치해석 연구 Study of Experimental and Numerical Analysis on Behavior Characteristics of Emulsified Fuel 염정국*† Jeong-Kuk Yeom*† (Received 17 April 2017, Revision received 01 August 2017, Accepted 01 August 2017) Abstract: Diesel engines with compression-ignition type have superior thermal efficiency, durability and reliability compared to gasoline engine. To control emitted gas from the engines, it can be applied to alternative fuel without any modification to the engine. Therefore, in this study, as a basic study for applying emulsified fuel to the actual diesel engine, analysis of spray behavior characteristics of emulsified fuel was carried out simultaneously by experimental and numerical method. The emulsified fuel consist of diesel, hydrogen peroxide, and surfactant. The surfactant for manufacturing emulsified fuel is comprised of span 80 and tween 80 mixed as 9:1 and fixed with 3% of the total volume of the emulsified fuel. In addition, six kinds of emulsified fuel(EF0, EF2, EF12, EF22, EF32, and EF42) were manufactured according to the mixing ratio of hydrogen peroxide. The droplet and spray experiments were performed to observe the behavior characteristics of the emulsified fuel. The numerical analysis was carried out using ANSYS CFX to confirm the microscopic behavior characteristics. Consequently, rapid mixture formation can be expected due to evaporation of hydrogen peroxide in emulsified fuel, and it is confirmed that Reitz&Diwakar breakup model is most suitable as breakup model to be applied to the numerical analysis. Key Words：Breakup Model, Emulsified Fuel, Numerical Analysis, Schlieren Method, Spray. 1. 서 론. 한다. 그러한 연소 배출물 감소를 위해 현재 국 내에서도 배기가스 규제가 점차 엄격해져 2011. 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 우수한 열효율,. 년부터 EURO 5 기준 적용 차량이 생산되고 있. 내구성, 신뢰성 및 출력이 크므로 선박 및 군함을. 는 상황이고, 2015년부터 EURO 6기준이 적용되. 포함한 다양한 운송수단의 주 추진동력원으로 사. 고 있다. 특히, 선박용 디젤엔진에 있어서 IMO. 용되어 왔다. 하지만 현재 화석연료를 사용하는. (International Maritime Organization, 국제해사기구). 엔진의 존속을 보장하기 위해서는 천연자원고갈. 는 2005년에 적용된 배기가스 규제 Tier 1과 비교. 과 배기가스저감 등의 문제를 반드시 해결하여야. 해 80%를 저감해야 하는 Tier 3을 2016년 1월 1일. *†염정국(교신저자) : 동아대학교 기계공학과 E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640. 34 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월. *†Jeong-Kuk Yeom(corresponding author) : Department of Mechanical Engineering, Dong-A University. E-mail : [email protected], Tel : 051-200-7640.

(2) 염정국. 부터 발효 중이다.1) 이러한 배기가스 규제강화로 인해 여러 엔진 배기가스 저감 방법이 연구되고 있으며, 그 중 한 방법으로 상용 디젤엔진의 시 스템에 별도의 수정 없이 바로 적용할 수 있는 대체연료(Alternative fuel) 사용이 있다. 대표적인 대체연료의 종류로는 바이오매스를 이용한 바이 오디젤(Biodiesel)과 소수성 물질인 디젤연료에 친수성. 물질을. 혼합한. 에멀젼연료(Emulsified. fuel) 등이 있다. 바이오디젤 연료는 동물성 지방 이나 식물성 기름으로부터 에스테르교환방법2)을 통해 추출한 대체연료로 기존의 디젤연료와 비 교하여 물성치가 비슷하고 세탄가가 높아 경유 대신 사용하거나 혼합하여 사용하는 연료를 지. Fig. 1 Kinematic viscosity change in emulsified blended fuels8). 칭한다. 이러한 바이오디젤은 2007년 9월 제1차 바이오디젤 중장기 보급계획3)과 2010년 제2차 바이오디젤 중장기 보급계획4)을 거쳐 현재 국내 에서 유통되는 디젤에 의무적으로 2% 혼합하여 사용하고 있다. 또한 대체연료의 한 종류인 에멀 젼연료는 통상적으로 경유와 물을 물리적 및 화 학적 방법으로 유화(Emulsion)시켜 사용하는 연 료를. 지칭하며. 혼합형태❲분산매체(Dispersion. medium), 분산상(Dispersed phase)❳에 따라 유중 수형(Water in Oil), 수중유형(Oil in Water)으로 구분된다. Trade-off 관계로 알려진 NOx와 Soot 배출 문제를 경유에 비해 비등점이 낮은 물의 급. Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus. 속한 증발로 인한 미세폭발(Micro-explosion)효과 로 Soot 및 증발잠열로 연소실 온도 저하를 통한 NOx의 동시 저감이 가능하다.. 5,6). 최근 물 이외의. 친수성 물질을 혼합하여 디젤엔진에 적용하는 연구가 진행 중이다.. 2. 실험 장치 및 방법 실험연료로 경유에 과산화수소를 혼합한 에멀 젼연료(Emulsified Fuel, EF)를 사용하였다. 연료혼. 7). 본 논문에서는 경유를 베이스 연료로 하여 과. 합에 사용한 계면활성제는 span80과 tween80을. 산화수소가 혼합된 에멀젼연료의 증발특성해석. 9:1로 혼합하여 연료 전체체적의 3%로 고정하여. 연구를 실시하였다. 먼저 에멀젼연료 액적을 대상. 혼합하였고, 연료혼합비의 설정은 경유에 과산화. 으로 한 증발실험을 실시하고, 또한 상용 프로그. 수소 혼합비(Vol%)로 EF0(Diesel only), EF2, EF12,. 램을 이용해 에멀젼연료 분무거동특성과 함께 기. EF22, EF32 및 EF42로 각각 설정하였다. 또한 가. 초적인 액적증발 수치해석을 실시하였다. 그리고. 열판(MSH-20A)에 연료액적을 자유낙하시켜 액적. 실험결과의 가시화를 위해 고속카메라를 이용하. 증발현상을 쉴리렌장치 및 고속카메라(Micro-4C,. 여 산란광(Scattered light) 계측법과 쉴리렌계측법. Phantom Co., Ltd.)를 사용하여 촬영하였다. 실험. (Schlieren method)을 적용하였고, 주요 실험 변수. 에 앞서 에멀젼연료로서 의미를 가지는 유중수형. 로. 을 확인하기 위해 항온수조를 온도 25℃로 유지. 경유에. 대한. ratio)를 선택하였다.. 과산화수소의. 혼합비(Mixing. 하여 Ostwald viscometer를 이용해 점성을 측정하 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 35.

(3) 에멀젼연료 거동특성에 관한 실험 및 수치해석 연구. 였고8), 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다.. 여기서, ρ [ML-3]는 밀도이다.. 그리고 Fig. 2의 실험장치 개략도와 같이 분무 실험을 위하여 Pride 2010년 모델의 U-engine 커먼. 운동량 방정식(The Momentum Equation). 레일을 사용했고, 연료필터는 사용연료가 바뀌면 교체하여 연료 혼합을 방지하였다. 실험에 사용된 ECU는 SmarTek Co.의 SCR-TDA8000을 사용했으 며, 분사시기 조절 및 분사압력조절이 가능하게.    ∇ ∙  ⊗      ∇  ∇ ∙     ⊗   . (4). (분사시기 100~4,000 ms, 분사압력 30~160 MPa) 설계되었다. 분사실험은 대기압 조건에서 분사기. 여기서,  [ML-1T-2]는 압력,  [ML-1T-2]는 분자. 간을 500 ms 고정시키고, 분사압력은 100 MPa로. 응력텐서(Molecular stress tenser),   [ML-2T-2]은. 설정하였다.. 운동량항(Momentum source)이다. 연속방정식은 바 뀌지 않지만 운동량 방정식은 분자확산유동에 추. 3. 수치해석 방법. 가적인 난류유동항 등을 포함하고 있다.. 수치해석은 유한체적법(Finite volume method) 기반 상용 CFD 프로그램 ANSYS CFX를 사용하. 레이놀즈 평균 에너지 방정식 (The Reynolds-averaged Energy Equation). 였으며, 수치해석에 적용된 지배방정식9)은 다음과 같다. URANS 방정식 (Unsteady. Reynolds. Averaged. Navier-Stokes.       ∇ ∙    (5)     ∇ ∙ ∇        ∇ ∙  ∙     ⊗  . equation) 여기서, T [θ]는 온도,  [MLT-3θ-1]는 열전도계.   . (1). 수,   [ML-1T-3]는 에너지항(Energy source)이다.. 속도(  [LT-1])는 평균성분(   )과 시간에 따라. 식 (5)의 평균 총 엔탈피  [L2T-2]는 다음과 같다.. 변하는 성분(  )으로 나누어지고, 평균성분은 다음.           . 과 같이 주어진다..     ∆. . (6).   ∆.  . (2). . 식 (6)에 포함된 난류운동에너지  [L2T-2]는 다 음과 같다.. 비정상유동에 대한 지배방정식들은 앙상블평균 이 된다. 원래의 수송방정식에 평균된 값들을 대 입한 Reynolds-averaged 방정식들은 아래의 식과.      . (7). 같다.. 4. 결과 및 고찰 연속 방정식(The Continuity Equation). 4.1 에멀젼연료 액적 거동특성의 실험 해석.   ∇ ∙      36 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월. (3). Fig. 3은 에멀젼연료 액적의 증발특성을 해석하 기 위하여 쉴리렌방법을 이용해 고속카메라로 가.

(4) 염정국. Fig. 3 Images of evaporative droplet of emulsified fuel taken from Schlieren method10) 시화한 이미지이다. 가로축은 경과시간을, 세로축. 도를 경유의 비등점인 523~623K보다 낮게 설정하. 은 에멀젼연료의 혼합비를 나타낸다. 가열판의 온. 여 경유의 증발을 최소한으로 억제하고, 과산화수 소의 비등점인 381K를 만족하여 과산화수소의 증 발만을 관찰하기 위하여 473K로 설정하였다. 그 림에서 알 수 있듯이 실험조건의 온도가 연료자 체 비등점보다 낮은 경유의 경우는 액적의 증발 이 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있고, 따라서 나머지 경유와 과산화수소를 혼합한 연료조건에 서 경유의 증발 영향은 무시할 있다고 판단하였 다. 그리고 과산화수소가 혼합된 조건 EF2부터는 시간의 경과와 함께 혼합비가 증가할수록 증발이 활발히 일어나는 것을 알 수 있다. 또한 과산화수 소가 포함된 EF2부터는 경유와 과산화수소의 비 등점 차이로 발생하는 미세폭발현상으로 인해 액 적의 비산(Scattering)현상과 함께 액적표면의 왜곡 현상도 관찰하였다. 이러한 결과를 통해 경유와. Fig. 4 Analysis of evaporation characteristics of emulsified. fuel. numerical analysis. using. experimental. and. 과산화수소의 에멀젼연료를 실제 디젤엔진에 적 용 시 연료 내의 과산화수소 증발로 인한 신속한 혼합기 형성을 기대할 수 있다.. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 37.

(5) 에멀젼연료 거동특성에 관한 실험 및 수치해석 연구. 4.2 에멀젼연료 액적 거동특성의 수치 해석 상용 수치해석 프로그램을 이용하여 Fig. 4와 같 이 에멀젼연료에 대하여 증발 특성을 고찰하였다. 그림에서 알 수 있듯이 혼합비 증가에 따라 연료 증기의 발생이 활발해지는 것을 알 수 있고,적용 수치모델의 유효성을 확인할 수 있었다. 또한 에 멀젼연료의 이러한 현상은 실험 결과와 유사하다. Fig. 5는 혼합비 증가에 따른 연료증기발생 증가 경향을 보다 정량적으로 파악하기 위하여 외부 유동장에 대한 시간경과에 따른 평균 과산화수소 Fig. 5 Mean volume fraction according to mixing ratio variation (Numerical analysis results). 체적분율(Volume fraction)을 EF2와 EF42에 대하여 서로 비교하였다. 시간경과에 따른 과산화수소 증 기의 증가량은 혼합비가 큰 EF42의 경우가 EF2에 비하여 높았으며, 그 이유로서는 EF2의 경우는 EF42에 비하여 연료 내 과산화수소의 적은 함유 량으로 인해 액적의 온도가 과산화수소 증발온도 에 도달한 후 액적증발량 변화가 비교적 완만하 고 일정한 특성을 보이지만, EF42의 경우는 에멀 젼연료 내 다량의 과산화수소(H2O2) 수분 성분의 급격한 증발로 인한 미세폭발(Microexplosion) 등 의 발생으로 과산화수소 증발량의 변화 정도가 심한 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통하여 본 연구에 사용한 수치해석 프로그램 적용 및 방법 의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 그리고 증발 수치 해석을 위해 너비 100 mm, 높이 50 mm의 직육면. Fig. 6 Conditions. for. numerical. analysis. of. emulsified fuel. 체의 공기 유동장을 설정하고, 직경 10 mm, 높이 2.5 mm의 액적을 정육면체 밑면의 정중앙에 위치 시켜 수치해석을 진행하였다. 도메인 설정 및 수치 해석 모델링은 Fig. 6에 나타낸다. 한편, 수치해석을 이용한 에멀젼연료 분무의 재 현을 위하여 입자추적(Particle tracking)해석을 실 시하였다. 본 논문에서는 Fig. 7의 데이터를 이용 하여 Fig. 8과 같이 100 ms 시간간격에 따른 각 시간별 240,000개 이상의 입자 중 대표 분포성이 좋은 100개의 입자를 선택하여 입자추적을 실시 하였다. Fig. 7은 수치적 방법으로 초기입자지름 0.12 mm, 대표시간(600 ms)에서 디젤 분무의 분무 선단도달거리에 따른 입자크기를 나타낸 그래프. Fig. 7 Particle tracking result according to spray penetration 38 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월. 이다. Fig. 7에서 Dense region은 대부분의 입자들 이 밀집되어 있는 영역을 의미하며 분무선단도달.

(6) 염정국. 거리에 따라 입자의 지름이 안정화되는 경향을 확인할 수 있다. Fig. 8은 전체의 입자 중 1개의 입자에 대해 시간에 따라 나타낸 입자추적 과정 이다. 그림에서 가로 및 세로축은 각각 그래프 원 점으로부터의 거리를 나타내고, 그리고 본 연구에 서 사용한 7홀 노즐 중 계산시간 관계상 각 연료 노즐 구멍에서 분사되는 연료거동특성은 동일하 다고 가정하여 7홀 중 하나의 노즐구멍을 대상으 로 수치해석을 실시하였고, 그림 중에 1/7 injector 로 표시하였다. 입자추적은 입자 분포성의 확인 및 분열빈도 계산 등에 사용되며, 실험적으로는 관측이 불가능한 미시적 분무거동특성을 정량적 Fig. 8 Particle tracking method for each particle. 으로 제시할 수 있도록 하는 방법이다. 본 연구에 서는 수치해석에서의 분무선단도달거리 측정 및 분열빈도를 계산하기 위하여 입자추적을 사용하 였다. 또한 분산유체를 적용한 액적분열 재현을 위해서는 분열모델의 변화에 따라 분무거동특성 또한 변화하기 때문에 사전에 실시한 실험을 통 하여 적합한 분열모델을 찾는 것은 중요하다. 따 라서 본 연구는 상용 수치해석 프로그램에 존재 하는. 대표. 4가지. 분열모델. Reitz&Diwakar,. CAB(Cascade atomization and breakup), TAB(Taylor analogy breakup), ETAB(Enhanced TAB)을 이용하 여 수치해석을 진행 후 분무선단도달거리 및 액 적입경 등의 비교를 실시하였다. Fig. 9는 실험으 Fig. 9 Comparison of spray penetrations according to breakup models. 로 구한 결과와 4가지 분열 모델을 이용해 수치해 석으로 계산한 분무선단도달거리와 비교결과이다. 4가지 분열 모델 중 Reitz&Diwakar, CAB 및 ETAB은 분무선단도달거리가 실험과 유사하게 나 온 반면 TAB 모델의 경우 실험 결과와 비교해 짧 으며 300 ms에서 최대오차 약 16 mm를 보였다. 따라서 본 연구에서는 TAB 모델을 이용한 분무 거동특성 재현은 적합하지 않다고 판단하였다. Fig. 10은 실험과 분무선단도달거리에 의해 적합 성이 판별된 분열 모델들의 적용에 따른 Local SMD비교이다. CAB과 ETAB 모델의 경우 노즐선 단에서. 멀어질수록. 급격히. 감소함을. 보였고,. Reitz&Diwakar 모델의 경우는 실험과 SMD값의 차이는 존재하지만 실험측정치와 감소경향이 비 슷함을 확인할 수 있다. 그 결과, Reitz&Diwakar Fig. 10 Comparison of local SMD according to breakup models. 분열모델이 본 연구에서는 디젤 분무의 재현에 있어 가장 적합함을 확인하였다.. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 39.

(7) 에멀젼연료 거동특성에 관한 실험 및 수치해석 연구. Fig. 11 Comparison of experimental results with those of simulation 있어서 실험과 수치해석으로 구한 에멀젼연료의 정면과 측면의 분무 이미지를 각각 나타낸다. 그 림에서 알 수 있듯이 각 혼합비와 연료 분사 후 시간경과에 대한 분무거동특성 해석에 있어서 본 연구에서 적용한 수치해석방법의 결과는 실험결 과와 양호한 일치를 보이고 있다. Fig. 11의 결과 를 정량적으로 분석하기 위해 분무선단도달거리 를 측정하여 Fig. 12에 나타내었다. 분무선단도달 거리의 측정은 분사되는 7개의 분무에 대해 길이 를 측정하여 평균값을 나타내었으며, 실험과 수치 해석 결과, 비교를 통해 본 연구에 적용한 수치해 Fig. 12 Comparison of spray penetrations according to mixing ratio. 석 방법이 분무 모사에 적합함을 확인하였다. 이 러한 결과들을 통하여 본 연구에서 도입한 수치 해석 절차 및 가정은 타당하며, 그 기법은 에멀젼. Fig. 11에 경유, EF2, EF12 및 EF22의 조건에. 40 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월. 연료 분무거동특성 해석을 위한 응용연구에 적용.

(8) 염정국. 2. S.. 가능하다고 판단된다.. Y.. No,. 2009,. "Bioenergy. Engineering",. ABCNURI, Chungbuk National University, pp. 47-60.. 5. 결 론. 3. Press Release from Ministry of Knowledge 본 논문은 경유와 과산화수소 혼합연료인 에멀 젼연료의 디젤엔진 적용에 관한 기초 연구로서. Economy, 2007, "Long-Term Plans to Supply Biodiesel", Korea.. 연료 분무거동 특성해석을 위하여 실험과 수치해. 4. Press Release from Ministry of Knowledge. 석을 동시에 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.. Economy, 2010, "Second Long-Term Plans to. 1) 에멀젼연료로써 경유에 과산화수소를 첨가. Supply Biodiesel", Korea.. 한 경우, 비등점이 낮은 과산화수소 연료 물성치. 5. M. C. Kim and C. S. Lee, 2008, "It’s Effects. 의 영향으로 에멀젼연료의 증발은 촉진되며, 그. for Engine Emission of Water/Oil Emulsified. 결과 에멀젼연료를 실제 디젤엔진에 적용 시 연. Fuel", Analytical Science & Technology, Vol.. 료 내 과산화수소의 증발로 인한 신속한 혼합기. 21, No. 3, pp. 159-166.. 형성으로 디젤 엔진 배출물 저감을 기대할 수 있다.. 6. A. Lif and K. Holmberg, 2006, "Water-in-Diesel. 2) 본 연구는 상용 수치해석 프로그램의 4가지. Emulsions and Related Systems", Advances in. 대표 분열모델 Reitz&Diwakar, CAB, ETAB 및. Colloid and Interface Science, Vol. 123-126, pp.. TAB을 이용하여 수치해석을 진행한 후 분무선단. 231-239.. 도달거리 및 액적입경 등의 비교를 실시하였고,. 7. M. P. Ashok and C. G. Saravanan, 2008, "Role. 그 결과, Reitz&Diwakar 분열모델이 본 연구에서. of Hydrogen Peroxide in a Selected Emulsified. 는 디젤 분무의 재현에 있어 가장 적합함을 확인. Fuel Ratio and Comparing It to Diesel Fuel", Energy & Fuels, Vol. 22, No. 3, pp. 2099-2103.. 하였다.. 8. J. K. Yeom and J. H. Yoon, 2014, "Basic Study of Spray-Behavior Characteristics of Emulsified. 후 기. Fuel", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.. 이 논문은 동아대학교 교내연구비 지원에 의하. 38, No. 9, pp. 763-771. 9. 2015,. 여 연구되었음.. ANSYS. CFX-Solver. Theory. Guide. Release 16.2, ANSYS, Inc., Canonsburg, USA. 10. J. K. Yeom and J. H. Yoon, 2015, "Study of. References 1. IMO,. 2014,. Marine. Environment. Committee, 66th session.. Behavior Characteristics of Emulsified Fuels Protection. with Evaporative Field," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 3, pp. 237-243.. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 41.

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