Study on the Behavior Characteristics of the Evaporative Diesel Spray under Change in Ambient Conditions

기호설명 p :분사압력, MPa R :반경방향 거리, mm T :주위온도, K

Z :노즐로부터 거리, mm 그리스문자

ρ : 주위기체 밀도, kg/m³ 하첨자

a : 주위기체

inj : 분사

회원 동아대학교 기계공학부,

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1. 서 론

분사된 연료의 미립화(atomization), 증발(evaporation), 그리고 혼합기형성과정(mixture formation process)이 디젤엔진의 착화 및 연소특성에 영향을 미치기 때 문에 디젤엔진 내에 분사된 연료의 구조해석으로부, 터 그러한 일련의 과정 즉 고압분사 분열, , (breakup), 미립화 그리고 주위기체의 난류 도입, (entrainment)에 관한 연구^(1~3)는 꾸준히 행해져왔다 그러나 이전의.

(1,2)

Dan⁽³⁾ 등의 연구결과는 실제 엔진 내 에서의 분사연료 발달과정과는 상이한 저온 저압 상태인 연료의 상변화(phase change)가 일어나지 않 는 비증발장에서의 연구이다 따라서 본 연구에서는. 상변화가 일어나는 비정상 증발분무의 구조해석

학술논문

< > DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.6.454

주위조건 변화에 대한 증발 디젤분무 거동특성 연구

염 정 국

(2009 1 19 , 2009 4 6 , 2009 4 7 )

Study on the Behavior Characteristics of the Evaporative Diesel Spray under Change in Ambient Conditions

Jeongkuk Yeom

Key Words: Diesel-Free Spray( 디젤자유분무 ), Evaporative Spray( 증발분무 ), Exciplex Fluorescence 엑시플렉스형광법

Method( ), Phase Change( 상변화 ) , Mixture Formation Process( 혼합기형 성과정)

Abstract

To analyze the mixture formation process of evaporating diesel spray is important for emissions reduction in actual engines. Then the effects of change in density of ambient gas on spray structure in high temperature and pressure field have been investigated in this study. The ambient gas density was changed from ρa=5.0kg/m³ to ρa=12.3kg/m³ with CVC(Constant Volume Chamber). Also, simulation study by modified KIVA-II code was conducted and compared with experimental results. The ambient temperature and injection pressure are kept as 700K and 72MPa, respectively. The images of liquid and vapor phase in the evaporating free spray were simultaneously taken by exciplex fluorescence method. As experimental results, with increasing ambient gas density, the tip penetration of the evaporating free spray decreases due to the increase in the drag force from ambient gas. The spatial structure of a diesel spray can be verified as 2-regions consisted of liquid with momentum decrease and vapor with large-scale vortex. The calculated results obtained by modified KIVA-II code show good agreements with experimental results.

결과로부터 혼합기형성과정을 명확히 한다 실험변. 수로는 디젤분무에 구조에 큰 영향을 미치는 주위 밀도를 선택했다 실험장치로써 실제 소형고속디젤. 엔진엔진의 실린더 내 연료분사 직전의 고압 고온 의 분위기설정이 가능한 정적용기(constant volume 를 사용했다 또한 그 실험결과를 코

chamber) . KIVA

드로부터 구한 수치해석의 결과와 비교하여 수치해 석결과의 타당성을 조사하고자 한다 한편 디젤분. , 무 구조와 연소연구의 영역에 있어서 Los Alamos 연구소에서 제안한 KIVA코드(KIVA-II, KIVA-3, and KIVA-3V)^(4~6) 및 STAR-CD⁽⁷⁾와 같은 몇몇의 간단한 모델은 이미 소개되었다 본 연구에서는. KIVA를 개 량한 KIVA-II코드를 수치해석용 프로그램으로 사용 했다. 사용한 KIVA-II코드는 수정 TAB(Taylor 모델을 포함하고 있고 그 수정 Analogy Breakup) ,

모델은 자유도

TAB (degree of freedom) Φ의 값이 6, 전체에너지에 대한 진동에너지와 변형 및 비틀림에 너지의 비를 나타내는 정수 Κ의 값은 8/9로 적용하 고 있다 이와 같은. KIVA-II코드 해석의 타당성 입 증을 위하여 수치해석의 결과와 실험결과를 비교 검토하였다.

2. 수치해석 및 실험 방법

2.1 분열후의 입경분포

실제 디젤기관에 있어서는 액적경의 분포를 나 타내는 다수의 분포함수가 제안 되고 있지만 원, 래 KIVA-II코드에서는 자유도 Φ를 가지는 χ²−분 포함수 중 Φ=2인 Rosin-Rammler 분포⁽⁸⁾를 채택하 고 있다. Fig. 에1 Φ의 변화에 따른 χ²−분포함수 를 나타낸다 또한 분열 후 액적의 임의의 반경. 을 r 그 산술평균을,  로 하고 Φ에 대한 입자수 빈도분포함수 확률밀도함수( ) f(r), 질량분포함수

및 누적분포함수 를 아래에 보인

g(r) h(r) 다.

식 (1), (2)로부터 결정된 분열 후의 액적 Sauter 평균입경 r32와 자유도 Φ에 의하여 분열 후의 액 적의 산술평균입경이 결정된다.

[Case of Φ=2]

Fig. 1 χ−squared distribution function

Fig. 2 Temporal change in spray tip penetration for calculational and experimental results

( ) ( )

12 , 6 exp

1 2 1 1 1

3 2

0

  ≤ ≤

 −

 ×







 



 



 

 + 

 

 

 +  +

−

=

= ∫ ^{g r dr} _r ^r _r ^r _r ^r _r ^{r r} _r ^r

r

h

[Case of Φ=6]

( )= _− _^ r r r

r r

g exp

120 ⁶

5

( ) exp (2)

6

2

 

 −

= r

r r

r r f

( ) ( )

21 , 120 exp

1 24

1 6 1 2 1 1 1

5 4 3 2 0

≤

 ≤

 

× −











 



 

 + 



 

 + 



 

 + 



 

 +  +

−

=

=

∫

r r r r r r

r r

r r r r r r r

dr r g r

h ^r

2.2 TAB모델의 수정

에 시간변화에 대한 모델에 있어서

Fig. 2 TAB

Rosin-Rammler의 Φ=2, Κ=10/3과 Φ=6, Κ=8/9경우 의 분무선단도달거리를 나타낸다 후자는 전자와. 비교하여 실험결과와 양호한 일치를 보인다 또. 그림에는 나타내지 않았지만 전자의 경우는 입경 이 실험과 비교해서 현저히 감소하는 경향이

( )

−

=

r r r

r r

g exp

6 ⁴

3 ( )

1 exp (1)

 

 −

= r

r r r

f

Table 1 Computational conditions(on the KIVA-II)

Table 2 Experimental conditions

Fig. 3 Computational mesh

다 이와 같은 결과를 바탕으로 본 연구에서는. 을 적용한 수정 모델을 수치해석에 Φ=6, Κ=8/9 ΤΑΒ

사용했다 그리고. KIVA−ΙΙ코드에서는 액적충돌에 의한 합체(coalescence)현상을 고려하지만 실제의 분무에 있어서는 그 현상이 일어날 확률이 극히 낮기 때문에 본 연구에서는 고려하지 않았다.

에 본 연구의 계산조건을 보인다 분사

Table 1 .

기간이나 분사압력은 실험의 경우와 동일하다.

에 본 연구에 사용한 계산영역 메쉬

Fig. 3 ( , meshes)

을 보인다 계산영역은 반경방향으로. 20mm인 23메쉬 축방향으로는 140mm인 70메쉬로 하였고, 반경방향 의 분할은 분무축에 가까워질수록 작아진다.

2.3 실험조건 및 실험장치

Table 2에 본 연구의 실험조건을 나타낸다 용 기내의 분위기조건은 분사된 연료가 증발 가능한

Fig. 4 Schematic diagram of laser sheet optical system and photography system

고온 고압의 분위기이고 분위기온도는, Ta=700K 이며 분사압력을, pinj=72MPa로 고정시켰고 주위, 기체압력 배압 이( ) pa=1.04MPa, pa=1.70MPa 및 pa=2.55MPa일 때 주위기체밀도는 ρa=5.0kg/m³, ρa=8.2kg/m³ 및 ρa=12.3kg/m³로 각각 변화한다 주. 위기체로는 연료의 착화 및 형광제의 산화를 방 지하기 위해 고순도 질소가스 순도( 99.9%)를 이 용했다.

에 본 연구에 사용한 레이저 시트 광학계 Fig. 4

의 개략을 보인다 광원으로써. Nd:YAG 레이저 파( 장:355nm, 출력: 60mJ/pulse, 빔직경:φ=6.4mm의

빔 펄스폭

doughnut , 8nsec, 최대발진주파수:10Hz)를 사용했다 증발분무의 액상과 기상의 화상을 각. 각 분리하여 동시에 획득하기 위하여 2대의 CCD 카메라를 사용했다.

결과 및 고찰 3.

3.1 엑시플렉스형광법에 의한 실험결과 에 분사압력

Fig. 5 pinj=72MPa에서 주위밀도를 변화시킨 경우의 자유분무의 2차원형광강도분포 이미지를 보인다 그림의 결과 중 분사 후 시간.

의 그림은 저자의 이전 발표논문

t=1.10ms ⁽⁹⁾의 결

과이다 그림 중에. (i), (ii)는 각각 기상 및 액상이 다 그림에서 알 수 있듯이 분무상류부에서는 각. 주위밀도변화에 대해서 큰 차이는 없다 그러나. 시간이 경과함에 따라 주위밀도가 증가함으로 분 무선단도달거리가 짧게 되고, 분무 중류부영역 및 하류부영역에 있어서 분무 반경방향으로의 발 달이 현저하다.

(a) Temporal change in spatial distribution of droplet parcels

코드 계산결과 3.2 KIVA-II

에 수정 코드를 사용해 주위밀도

Fig. 6 KIVA-II

를 변화시킨 경우의 계산결과를 나타낸다 주. 위 밀도 변화에 대해서 Fig. 6의 (a)는 액적군의 대

(b) Temporal change in spatial distribution of droplet velocity

표로서 액적파셀(parcel), (b)는 액적들의 속도변화 를 보인다 그림. (a)에 의하면 주위밀도가 높아짐 에 따라 분무선단도달거리가 짧게 된다 또한 분. 무의 퍼짐은 주위기체의 항력이 증가함에 의해

Fig. 5 Tempora l cha nge in diesel spra y ta ken by exciplex fluorescence method a t p

=72MPa

Fig. 6 Ca lcula ted results ta ken by improved KIVA-II code a t p

=72[MPa ], t

=1.54[ms]

감소하는데 이러한 경향은 실험결과에서 얻은, 것과는 상반된다 ig. 6의 (a)에서는 주위밀도가 높을수록 분무액적파셀의 직경이 감소하는 경향 이 있다 따라서 각 설정주위밀도에 대한 분사종. 료 직전의 t=1.50ms에 있어서 액적파셀 직경의 빈도분포( )를 Fig. 7에 나타낸다 그림 중 에 _^ _^ 는 각 각 산 술 평 균 직 경 ___ Sauter평균직경(Sauter mean diameter: SMD),

_^__^_이고 계산영역에 존재하는 전체 액 적파셀에 대해서 구했다 주위밀도가 낮게 되면 이 양 자 모 두 는 작 게 된 다 주 위 밀 도 ρa=12.3kg/m³인 경우, d 20mm 범위의 액적파셀 이 약 54%이다 주위밀도가 증가하면 빈도분포가 최대를 나타내는 위치는 큰 입경측에서 작은 입 경측으로 이동한다 이러한 경향도 실험결과와는 상반된다 그 이유로는 실험결과의 경우 주위밀 도의 증가에 따른 주위저항 증가에 기인하는 분 무액적의 속도감속가 발생하고 그 결과 미립화 가 감소하고 _^ 가 크게 되지만 계산에 의한 이

론상 아래의 식과 같이 주위밀도가 증가하면 전 단응력이 증가하기 때문에 _^ 가 감소한다고 판 단된다.

   

  

× 

 (3)

여기서 Re(ρ µ)는 레이놀즈수, ρ은 밀도, µ는 점성계수이다.

에 주위기체 밀도변화에 대한 분무액상 Fig. 8

선단도달거리의 실험결과와 계산결과의 시간경과 를 보인다 이 그림 중에 나타낸 분무액상의 선. 단도달거리의 결과는 화상에 나타난 모든 형광강 도의 범위까지 측정한 것이다 참고로 저자가 발. 표한 논문^(9,10)에 나타낸 액상길이의 변화 결과는 액상 화상의 형광강도가 강도의 최대치(255)의 약

이상 만의 범위로 측정한 결과

10% (30 255) 이다

계산치가 실험치와 비교해서 전체적으로 분무액 상길이를 과대평가하고 있고 시간의 경과에 따 라 계산치와 실험치의 차가 점차 크게 된다 분 무가 분사 시에 얻은 운동량을 유지하고 주위기

Fig. 7 Cha nge on number density profile with va ria tion of a mbient ga s density a t time from injection sta rt, t=1.5[ms]

Fig. 8 Tempora l cha nge in tip penetra tion of liquid pha se with KIVA-II code in ea ch a mbient ga s density

Fig. 10 Summary of temporal change in tip penetration of liquid and vapor phase taken by KIVA-II code

체의 영향을 받기 어려운 영역에서는 그 차가 비 교적 작다 그러나 분무와 주위기체와의 운동량교 환이 끝나고 주위기체의 유동이 지배적으로 되는 영역에 있어서는 양자의 차가 크게 된다

ig. 9에 분무기상의 선단도달거리를 나타낸다 주위밀도 ρa=12.3kg/m³의 경우 실험치와 계산치, 사이에 약간의 차가 있지만 다른 조건에 있어서, 는 잘 일치한다.

에 주위밀도변화에 대한 분무액상과 기 Fig. 10

상의 선단도달거리 계산결과를 정리하여 나타낸 다 분무 액상 기상 양자의 선단도달거리 발달. 경향은 실험결과와 같이 주위밀도가 높아짐에 따 라 감소함을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서 주위밀도를 변수로 하여 비정상 증발분무의 구조 및 혼합기형성과정에 대하여 조

Fig. 11 Image of spray structure in the evaporative field 사했다 본 연구에서 구한 연구결과로부터 증발. 분무 구조의 한 예를 Fig. 11에 보이고 그 결과, 를 아래에 정리한다.

주위밀도의 증가는 비정상 증발분무선단도 (1)

달거리를 억제함과 동시에 주위기체의 도입

을 촉진시킨다 이러한 주위기체의 (entrainment) .

도입증가는 주위기체와 연료사이의 혼합기형성과 정에 있어서 큰 규모의 와( , vortex)속에 존재하 는 와괴( )의 수를 증가시킨다.

주위밀도가 큰 경우 분무의 반경방향의 퍼

(2) ,

짐이 증가하기 때문에 대규모 와구조의 공간적인 크기는 주위밀도의 증가와 함께 증가한다.

증발분무의 구조적 특성은 분사연료가 가지 (3)

는 운동량이 점차 감소하는 액상영역과 분무하류 의 대규모 와구조가 분무의 성장을 지배하는 기 상영역 가지로 구분된다2 .

Fig. 9 Tempora l cha nge in tip penetra tion of va por pha se with KIVA-II code in ea ch a mbient ga s density

수정 모델을 적용한 코드에 의

(4) TAB KIVA-II

한 분무선단도달거리의 계산결과는 실험결과와 좋은 일치를 보인다 그러나 분무반경방향으로의. 분무폭은 실험의 경우와 비교하면 주위밀도에 관 계없이 감소한다 또한 주위밀도의 증가와 함께.

평균입경도 증가한다

Sauter .

후 기

이 논문은 동아대학교 학술연구비 지원에 의하 여 연구되었음.

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