Macroscopic Breakup Characteristics of Water Gel Simulants with Triplet Impinging Spray Jet

젤 모사 추진제 삼중 충돌 분사 제트의 거시적 분열 특성 연구

황태진 ^* ·이인철 ^* ·구자예 ^†

Macroscopic Breakup Characteristics of Water Gel Simulants with Triplet Impinging Spray Jet

Tae-jin Hwang, In-chul Lee and Jaye Koo

Key Words : Gel Simulants( 젤 모사 추진제 ), Triplet Impinging Injector( 삼중 충돌형 인젝터 ), Polymeric effect( 중합 효과 ), Spray Angle( ^분무각 )

Abstract

The implementation of gelled propellants systems offers high performance, energy management of liquid propulsion, storability, and high density impulse of solid propulsion. The present study focused on the macroscopic spray characteristics of liquid sheets formed by triplet impinging jets of non-Newtonian liquids which are mixed by Carbopol 941 0.5%wt. The results are compared to experiments conducted on spray images which formed by triplet impinging jets concerning with air- assist effect at center orifice. When gel propellants are injected by doublet impinging jets at low pressure and high pressure, closed rim pattern shape appeared by polymeric effect from molecular force and showed inactive atomization characteristics, because of extensional viscosity related by restriction of atomization process and breakup time delay of turbulence transition.

As increasing mass flow rate of the air(increasing GAR), spray breakup level is also increased.

1. 서 론

젤 (Gel) 추진제는 안정성과 취급성이 용이하며 , 특히

고점도의 젤 추진제는 높은 에너지 밀도와 비추력 , 추력

제어 , 비독성 , 추진제 탱크의 소형화 , 비누설성 (non-

leak) ^{과 같은 특성으로 고성능 추진 시스템에 활용될 수}

있다 . 젤 추진제는 비뉴튼 (non-Newtonian) 유체로서 유

변학적 물성이 시간에 따라 변화하며 , 기존의 액체 연료 에 점성 효과가 추가된 젤 추진제는 분무시 탄성으로

인한 분지 (branch) 형상뿐만 아니라 딕소트로픽 (thixot-

ropy) 특성과 같이 시간에 의존하는 특성을 갖게 된다 .

또한 , 젤 추진제는 긴 삼차원 중합 고리의 결합적 특성 을 갖는 젤화 작용제와 분산용 첨가제를 첨가해 금속 고체의 상을 액체로부터 분리시키고 집합과 응고를 방

지하며 , 추력 증대 및 축 (longitudinal) 방향 연소불안정

해결을 위해 Al 과 같은 금속 입자 성분을 첨가함으로써 추진제의 성능을 증가시킨다 . ^{젤 추진제의 가장 중요한}

특성은 유체의 전단률 증가에 따라 점성이 감소하는 특 징을 지니고 있기 때문에 젤 추진제의 유변학적 특성을 고려하여 분사하는 동안에 인젝터 출구에서 높은 전단 력을 가하여 낮은 점성의 특성으로 변화시킨 후 액체의 점도에 가까운 추진제로 분사시킬 수 있다 . 하지만 추진 제의 점도 증가는 분사 후 미립화 정도를 제한하며 , ^엔

진 성능의 감소를 일으킬 수도 있기 때문에 고압의 분 무 환경에서 분사된다 . 젤 추진제에 대한 정량적인 선행

연구로서 Green ^{et al.}

^{은 삼중 충돌형과 동축 인젝터를}

사용하여 젤 모사 추진제에 대한 미립화 특성을 규명하 였다 . 인젝터 출구에서 일정한 전단률의 상수로서 계산 (2010

2

2

~2010

9

20

, 2010

9

27

)

*한국항공대학교대학원

†한국항공대학교항공우주및기계공학부

E-mail : [email protected]

TEL : (02)300-0116 FAX : (02)3158-0117

된 젤 추진제는 높은 전단력에 의존하여 인젝터 출구로 분사되고 일반적인 물보다는 미립화 특성이 동일 압력 에 비해 저조하다는 특징을 연구하였다 . Chojnacki and

Feikema

^{는 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 추진}

제의 분무 특성을 연구하였으며 , 비점성 유체의 분무 특 성 연구를 위하여 모세관 점성계를 이용하였다 . 일반적

으로 충돌 효과에 의하여 액막 (liquid sheet) ^{이 발달하며} ,

Weber number 증가에 따라 분무각이 증가한다는 연구

결과를 도출하여 non-Newtonian 효과를 고려한 선형 안

정성 해석 기법으로 액막의 분열 현상을 예측할 수 있 는 연구를 수행하였다 . Ciezki et al.

는 JetA-1/Thix-

atrolST 젤 추진제의 유변학적 특성과 유동 특성 선도를

전단률 범위 10

~10

범위에서 capillary & rotational

rheometer ^{를 이용하여 나타내었으며} , Al ^{금속 입자가 첨}

가된 젤 분무의 미립화 정도는 피스톤식 가압을 통한

고압 분사를 통해 기존의 Newtonian 액체 연료와 비슷

한 액적 크기로 분무가 가능하다고 연구하였다 .

젤 추진제의 가장 중요한 특성은 점성이 전단률에 의 존한다는 것이며 , 이러한 의존성은 유동장과 유체의 특 성과 매우 밀접한 관계를 지닌다 . ^{미립화 특성과 관련된}

유변학적 특성 연구는 Mansour and Chiger

가 동축 이

중 미립화기를 사용하여 젤 추진제의 미립화 특성을 연 구하였다 . Mansour ^{et al.은 전단력} , ^{인장 점도를} die-

swell 측정 방법을 사용하여 나타내었으며 , 특히 미립화

특성과 유변학적 특성을 연계하여 비점탄성 (viscoinelas-

tic) 물질에 대하여 SMD 가 전단률에 의존한다고 연구하

였다 . ^또한 , ^{점탄성 효과를 고려한 유체의 미립화가 좀}

더 어려우며 , 전단력에 의한 점성보다 점탄성 같은 확장

점성 (extensional viscosity) 의 효과가 분열을 억제한다는

유변학적 메커니즘을 연구하였다 . ^{폴리머 용해 분무의}

확장 점성 효과는 Dexter

에 의해 연구되었으며 , 전단

점도는 확장성 점도의 수치보다 더욱 낮다고 연구하였 다 . Rahimi and Natan

^은 non-Newtonian ^{젤 모사 추진}

제의 정상 , 압축성 , 등온 , 층류 유동에 대한 지배 방정식 을 통해 인젝터 형상 및 유량에 따른 다양한 조건이 속 도 및 점도 장에 미치는 영향을 계산하였으며 , ^{젤 추진}

제의 또 다른 특징인 딕소트로픽 (thixotropic) 거동과 오 리피스 수축각에 따른 젤 추진제의 유변학적 특성 변화 에 대해서도 연구하였다 .

젤 추진제와 관련된 응용 연구들은 Fig. 1 ^{과 같이 다}

양한 젤 추진제를 이용하며 , Fig. 1 과 같이 다양한 연구

주제로서 국외의 국공립 연구소 및 대학 실험실에서 연 구를 진행하고 있으며 , ^{분무 특성 연구 및 연소 실험을}

통해 각각의 연구 단계를 정립하고 , 젤 추진제 기술에 대한 성능 평가를 수행하고 있다 . ^{하지만 아직 국내 연}

구기관 및 대학 연구실에서는 젤 추진제의 유변학적 물 성치 변화와 분무 특성에 관한 연구 결과들은 미비한 것으로 판단되기 때문에 , 본 연구에서는 젤 모사 추진제 의 충돌 방식에 따른 분무 특성을 파악하기 위해 삼중 충돌형 인젝터를 사용하고 젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성의 비교 실험을 수행하여 젤 추진제의 분열 및 미립 화 특성과 관련한 거시적 분무 특성을 연구하도록 한다 .

2. 실험 장치 및 실험 조건

실제 연소압을 고려한 실험 환경에서 분무 특성을 모 사하기 이전에 대기압 상태에서 삼중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제의 분무 분열 특성에 관한

Fig. 1 Viscosity-shear rate characteristics with various gel propellants

Fig. 2 Schematic of gel injection system

실험적 연구를 수행하였다 . 젤 사 추진제의 분무 이미지

는 CCD ^{카메라를 이용하여 실시간으로 획득하였으며} ,

젤 모사 추진제의 분무 실험을 위하여 Fig. 2 와 같이 실

험 장치를 구성하였다 . 젤 모사 추진제는 최대 40 kg/

cm

^{의 압력으로 가압 되어 다양한 압력으로 분사되며} ,

공기의 분사 압력은 약 3 kg/cm

의 압력으로 인젝터 중

심에서 일정한 압력으로 분사되게 된다 . Fig. 3 와 같이

삼중 충돌형 인젝터는 최외곽의 양쪽 오리피스가 동질 형 (like type) 이며 , 중심의 오리피스는 약 0.9 mm 의 직경

이고 외곽은 1.1 mm 직경이다 . Table 1 에는 삼중 충돌

형 인젝터의 설계 파라미터를 나타내었으며 , 실험에 사

용된 충돌형 인젝터는 충돌각이 30° ^이고 , ^{충돌 거리는}

6.0 mm 이며 , 오리피스 길이는 4.0 mm 이다 .

젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성 연구를 위해 Ion-

ized Water 98.5%wt, 아크릴산의 중합 폴리머 계열인

Carbopol 941 0.5%wt, NaOH 10% 농축액 1%wt 를 혼합

하여 pH 8.5 ^{로 조절한 후 모사 추진제를 제작하였으며} ,

25

C 에서 물과 젤 추진제의 특성은 Table 2 에 나타내었

다 . Carbopol 941 은 non-Newtonian 젤 모사 추진제를 만 들기 위한 젤화 작용제로서 , ^{백색의 분말상으로 물과 혼}

합되었을 때 thixotropy 특성을 나타내고 낮은 항복응력

을 나타내어 항복응력 인자를 무시할 수 있으며 , 이러한 특성으로 인해 실험시 별도로 고려해야할 시간에 따른

특성 인자를 배제할 수 있게 된다 . Carbopol 941 이 혼합

된 젤 모사 추진제의 유변학적 특성을 파악하기 위해

Al-RP1 젤 추진제와 물의 유변학적 특성을 Fig. 4 에 나

타내었다 . Carbopol ^계열중 941 ^은 940 ^{보다 약한 젤 성}

형능력이 있으며 , 염기와 혼합하여야 증점 효과가 생긴

다 . 더욱 중요한 특징은 Carbopol 941 을 사용한 젤 모사

추진제는 자발점화 젤 추진제의 유변학적 특성을 만족 하여 분무 특성을 모사할 수 있다는 장점이 있다는 것 이다 . 젤 추진제 분무 실험 이전에는 젤 추진제의 유변 학적 특성을 파악해야 하며 , ^{전단률에 의존하는 동적인}

전단 점성 계수는 주로 회전식 또는 모세관식 유변학

점도 분석기 (rheometer) 를 사용하여 측정하도록 한다 .

본 연구에서는 젤 모사 추진제 유량과 공기의 유량으 로서 GAR(Gel to Air mass flow Ratio) 를 정의하였다 .

단일 (single hole) 인젝터나 젤과 젤 이중 충돌 인젝터에

서는 무차원 변수로서 주로 Re ,

(power law model-low shear rate) ^{을 사용한다} . ^{여기서 전단 박화} (shear thinning)

특성을 갖는 non-Newtonian 유체의 점도는 Ostwald and de Waele(Chojnacki et al.

) 가 제시한 power law model ( ^{η Kγ} = ·

) ^{에 의해 설명되며} , Newtonian ^유체에서 Table 1. Design parameter of triplet injector

Parameter No. 2 ^노즐

L

d

(D=1.1 mm hole) 3.6

L

d

(D=0.9 mm hole) 5.0

Orifice length(mm) at D=1.1 mm 4.0

Orifice length(mm) at D=0.9 mm 4.5

Impinging distance(mm) 6.0

Impinging angle (°) 30

L

= orifice length d

= orifice diameter

Fig. 3 Schematic of triplet injector

Table 2. power law data of water gel propellant (25

C) Gel type Consistency index

(K, [mPa·s

]) Power law index(n) Carbopol

941, 0.5%wt 16.75 0.4056

Fig. 4 Rheological characteristics with various fluids

는 기존의 레이놀즈수를 사용하고 non-Newtonian ^유체

에서는 수정된 레이놀즈 수

를 젤 추진제의 분열에 관련된 인자로 사용하도록 한다

.

3. 실험 결과 및 분석

젤 모사 추진제와 물의 거시적 분무 특성을 비교하기

위해 절대점도 : 1.15 mPa·s, 20

C 의 물을 사용하여 실

험을 수행하였다 . Fig. 5 는 이중 충돌형 방식을 사용한 물과 젤 모사 추진제의 저압 , ^{고압 분무 이미지이다} . ^저

압 분사 조건에 물의 이중 충돌 분무의 경우 미립화 지 연을 거치지 않고 액체 제트가 충돌한 후 분열이 일어 나게 되며 , ^{젤 충돌 분무의 경우 젤 추진제는 서로 결합}

되어 확장성 점도에 의한 분열 시간 지연 특성을 갖고

closed rim 형태의 특성을 갖게 된다 . 하지만 고압 분사

(2 MPa 이상 ) 의 경우 물의 이중 충돌 이미지 분석결과

분무각은 증가하고 미립화 정도는 향상 되며 , ^특히 , ^분

열 길이가 감소한 것을 관찰할 수 있다 . 젤 모사 추진제

의 경우 분사압이 증가함에 따라 rim 패턴이 불안정해

지고 충돌 후 젤 모사 추진제의 표면 파장이 불안정해 져 액막의 분열이 분무 가장자리에서부터 일어나 젤 모

사 추진제의 미립화가 진행됨을 관찰할 수 있다 . Fig. 6

은 충돌각 30

^의 Water-Gas-Water 3 ^{중 충돌형 인젝터를}

사용한 분무 이미지이다 . 일정한 분사 압력 (3 kg/cm

) 으 로 인젝터 중심에서 공기를 분사시키고 물의 웨버수를 증가시킴에 따라 분무의 밀도는 액체 제트의 중심에 집 중되고 분무 하류의 외곽에서 미립화 정도는 동일하게 관찰된다 . 충돌각 30

의 분사했을 경우 물의 웨버수가 증가함에 따라 분무각이 크게 확장되지는 않았다 . 분무 혼합에 따른 추진제의 공간분포 특성은 연소효율에 가 장 큰 영향을 미치기 때문에 분무각을 충분히 고려해야

한다 . Fig. 6 의 물과 물 충돌 분무의 경우와는 다르게 젤

과 젤의 충돌 분무의 경우 젤의 분사 압력을 증가시켜 도 미립화의 정도가 크게 향상되지 않기 때문에 젤 모 사 추진제의 미립화 정도의 향상을 위해 삼중 충돌 인 젝터 중심에서 공기의 압력을 증가시켰다 . Fig. 7 ^{은 물}

에 Carbopol 941 을 0.5 wt% 혼합한 젤 모사 추진제의

Gel-Gas-Gel 삼중 충돌 분무 이미지이다 . 젤 모사 추진

제의 절대 점도는 2.61 mPa·s 이고 5 kg/cm

정도의 저

압 분사시 젤 추진제의 압력 강하는 추진제 가압 탱크

로부터 인젝터 후단까지 2~3 kg/cm

정도로 크게 나타

난다 . 이 때의 젤 모사 추진제의 Re

는 1024 이며 ,

GAR ^{의 범위는} 186.76 ^에서 102.87 ^{까지 이다} . GAR ^{의 범}

위가 줄어드는 이유는 공기의 유량이 증가하기 때문이 며 , 미립화 과정이 향상됨에 따라 공기의 유량이 증대되

기 때문에 GAR ^{값이 줄어든다} . Fig. 8 ^의 GAR=0 ^조건

에서 젤 모사 추진제의 충돌 분무에 의해 나타난 긴 액 Re

ρu

d

K _⎝ ^⎛ 0.75 0.25 + --- _{n ⎠} ^⎞

× 8

---

=

Fig. 5 Water and Gel spray images using doublet imping- ing methods

Fig. 6 Spray images of water at Water-Gas-Water impinging injector

막 (liquid sheet) 은 강한 상호 분자력에 관련한 중합

(polymeric) ^{효과를 나타내며} , ^{물 분사 이미지와 비교했}

을 때 젤 모사 추진제의 미립화 억제와 난류 천이 (tur-

bulence transition) 지연 (delay) 에 관련된 확장성 점도

(extensional viscosity) 로 인하여 저압 분사시 저조한 미

립화 특성을 나타낸다 . GAR= ^{∞의 경우 양쪽 오리피스}

에 충돌된 젤 모사 액체 제트는 서로 결합되어 어느 정

도의 시간 지연을 갖고 closed rim 패턴의 형태를 갖고

일정한 분무 파장을 나타내며 , ^{분무 하류 방향으로 퍼져}

나간다 . GAR 이 감소 ( 공기의 유량 증가 ) 함에 따라 분무

각은 증가하고 , 분열 길이가 줄어들며 , 점성에 의해 연 결된 액막 (liquid sheet) ^분지 (branch) ^{와 일정한 분무 파}

장의 가시화 특성이 점점 사라지는 것을 관찰할 수 있 었다 . 그리고 물의 삼중 충돌 특성과 유사하게 젤의 삼 중 충돌 분무의 경우에서 나타나는 분무 파장은 오리피 스 출구로 분무되는 젤 추진제의 압력 섭동과 관계되며 ,

또한 압력 섭동은 오리피스 내부의 기하학적 형상과 관 계된다 . 결국 삼중 충돌형 인젝터의 중심에서 분사되는

공기의 유량이 증가 할수록 Fig. 7 ^{과 같이 젤 모사 추진}

제의 분무 미립화가 활발히 진행된다는 것을 관찰할 수 있었다 . 특히 , GAR=165.9 와 GAR=114.88 을 경계로 미 립화 특성이 다르게 나타나는 것을 관찰할 수 있었으며 ,

GAR=114.88 을 시점으로 미립화 정도는 GAR=102.87 과

유사한 특성을 나타내었다 . Fig. 8 은 일정한 젤 모사 추 진제의 유량에 대하여 공기의 유량을 증가 시켰을 경우

의 Gel-Gas-Gel 삼중 충돌 분무 이미지이다 . 충돌 방향

에 대한 분무각은 충돌 직각 방향에 대한 분무각보다

약 30° ^{적은 분무각을 나타내었으며} , ^{공기의 유량이 증}

가함에 따라 분무각도 증가하는 것을 관찰할 수 있었다 .

4. 결 론

젤 모사 추진제의 충돌 분무의 경우 미립화 억제와 난류 천이 (turbulence transition) ^{의 분무 분열 지연} (spray breakup delay) 에 관련된 확장성 점도 (extensional viscos-

ity) 로 인하여 저조한 미립화 특성을 나타낸다 . 하지만

삼중 충돌형 인젝터의 중심에서 분사되는 공기의 유량 이 증대됨에 따라 충돌 방향에 대하여 직각 방향인 분 무의 분무각이 증가하였고 분열 길이는 줄어들었으며 ,

또한 미립화 정도는 향상되었다 . Fig. 7 Spray images of triplet impinging injector with Gel - Gas - Gel, Re

≒ 1024

Fig. 8 Spray angle of triplet impinging injector with Gel -

Gas - Gel, ^Re

^≒ 1024

참고문헌

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