Transient Spray Structures of Supersonic Liquid Jet Injected by Projectile Impact Systems

발사체 충격 방식을 사용한 초음속 액체 제트의 과도 분무 형상에 관한 연구

신정환

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^*

^**

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Transient Spray Structures of Supersonic Liquid Jet Injected by Projectile Impact Systems

Jeunghwan Shin, Inchul Lee, Heuydong Kim and Jaye Koo

Key Words: Supersonic liquid jet( 초음속 액체 제트 ), High speed projectile impact( 발사체 고속 충돌 ), Shock wave( 충격파 ), Straight cone nozzle( ^{직선 원추형 노즐} )

Abstract

The effects of projectile impact system on the transient spray characteristic which is supersonic liquid tip velocity were studied by experimentally. Supersonic liquid jets were generated by impact of a high speed projectile driven by a Two- stage light gas gun. A high speed camera and schlieren optical system were used to capture the spray structures of the supersonic liquid jets. In a case of nozzle assembly Type-A, expansion gases accelerate a projectile which has a mass of 6 grams from 250 m/s at the exit of the launch tube. Accelerated projectile collides with the liquid storage part, then supersonic liquid jets are injected with instantaneous spray tip velocity from 617.78 m/s to 982.54 m/s with various nozzle L/d. However, In a case of nozzle assembly Type-B which has a heavier projectile (60 grams) and lower impact velocity (182 m/s), an impact pressure was decreased. Thus the liquid jet injected at 210 m/s of the maximum velocity did not penetrate a shock wave and fast break-up was occurred. Pulsed injection of liquid column generated second shock wave and multiple shock wave.

1. 서 론

초음속 액체 제트의 분사 기술은 1950 ^{년대에 고속으}

로 비행하는 항공기에 빗물 액적이 강하게 충돌할 때 발생되는 항공기와 터빈 블레이드의 표면 삭마와 변형 을 초래하는 액체 침식 과정 분석 연구를 시작으로 발 전되었으며

, 현재 재료의 절단 및 세척 , 터널의 채굴

및 채광 작업과 같은 넓은 범위로 공학적 기술이 적용

되고 있다

. 최근 들어 자동차의 CRDI(common rail

direct injection) ^{엔진 같은 초고압 인젝터를 사용하는 연}

료 분사 방식에도 응용할 수 있다 . 연료가 초고압으로 분사되면 미립화가 향상 되어 연소가 진행되는 과정에 서 완전 연소를 도모하고 , ^{매연과 입자상 물질을 저감할}

수 있는 이점이 있다

. 초고압으로 분사되는 액체 제트 는 전방에 충격파를 수반하기 때문에 온도 , 전단력 , 항 력 등의 변화를 겪는다 . ^{특히 이러한 충격파로 인해 국}

소 가열 효과가 발생하여 디젤 연료를 사용할 경우 자

발 점화 가능성을 기대할 수 있다

. 최근 미국 , 일본

및 유럽 등 기술 선진국에서는 초고압 고성능 디젤 엔 진 개발에 관심을 가지며 액체 제트의 분사 속도가 4.5

km/s 이상일 때 , 국소 가열 효과로 인한 연료의 자발 점

(2012

4

23

~ 2012

5

11

, 2012

6

13

)

*한국항공대학교항공우주및기계공학과대학원

**국립안동대학교기계공학과

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

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

화 가능성에 대한 많은 기술적 방법을 제시하였다

.

전방 영역에 충격파를 수반한 초음속 액체 제트는 제트 내부 액적과 미립화된 액적 사이에서 반사 충격파를 일 으키기도 하며 이러한 분무장에서 열 / ^{유체역학적 특성}

이 달라지고 실제로 초음속 액체 제트가 분사될 때 , 미 립화 특성의 향상을 이끌어 낼 수 있다

.

초음속 상태로 액체를 분사시키기 위해서는 높은 압 력의 가압원이 필요하다 . 발사체 충격 구동 방식을 처음

고안한 Bowden & Brunton 은 높은 속도를 가진 발사체

와 액체가 충돌함으로써 단순 모멘텀 교환 방식으로 고

속의 액체 제트를 분사시킬 수 있는 Ballistic Range ^의

일종인 2 단식 경가스 총 (two-stage light gas gun) 의 방법 을 제시하였다

. 이와 같이 유사한 구동 방식을 사용 한 O’Keefe ^{et al.은} 1.77 km/s ^{의 발사체 충격 속도를 이}

용한 4.58 km/s 의 극초음속 액체 제트를 성공적으로 분

사시켰다 . 또한 압축성 유동의 비정상 이론이 적용된 1

차원 해석을 사용하여 원추형 수축부 노즐의 충격 압력 과 노즐을 통해 분사되는 액주의 움직임을 설명하였다 .

이로 인해 발사체 속도로부터 얻은 노즐 내부의 간헐 압력 상승 연구를 이론적으로 수행하였으며 , ^최대 2.3 GPa 에 이르는 충격 압력을 도출하였다

. A. Matthujak

et al.은 약 300 m/s 의 발사체를 노즐 내부에 충돌시켜 충격 압력을 생성하였으며 광학 섬유 압력 트랜스듀서

를 이용하여 최대 1.24 GPa ^{의 압력을 측정하였다}

.

2 단식 경가스 총을 이용한 초음속 액체 제트는 제트

전방에서 발생하는 충격파와 액적 미립화의 관계 , 충격 파에 의한 액체 제트의 국소 가열 효과 등 현재까지 잘 알려지지 않는 복잡한 유동 특성을 포함하고 있다 . 따라 서 본 연구에서는 여러 가지 공학 기술 응용 분야에 적 용할 수 있는 초음속 액체 제트의 기초적인 연구로써 ,

발사체 - 액체 충돌 방법에 따른 초음속 액체 제트의 분 무 형태와 충격파 특성을 파악하기 위해 직선 원추형

노즐 (straight cone nozzle) ^{을 사용하여 기하학적인 형상}

변화에 따라 액체 제트의 분열 과정 , 분무 형태 , 분사 속 도 , 침투 거리 및 충격파 특성을 규명하고자 한다 .

2. 실험 장치 및 방법

2.1 2단식 경가스 총의 구성

차세대 디젤 엔진 등의 연소 기술에 응용되는 초음속 액체 제트는 연소실 내부의 고온 , 고압 환경으로 분사되 어 액체 제트 분무 구조와 선행되는 충격파의 특성들이

대기압조건과는 판이하게 다른 형상을 보이지만

, 본 연구는 초음속 액체 제트의 기초적인 생성 방법과 노즐 형상에 미치는 영향을 파악하기위해 분무 유동장의 주

위 온도 293±5 K, 상대 습도 50 % 및 대기압의 조건에

서 실험을 수행하였다 . 초음속 액체 제트를 생성하기 위 한 Ballistic Range ^{시스템의 구조는} Fig. 1 ^{과 같이 구성}

되어 있으며 , Fig. 2 에 2 단식 경가스 총의 대략적인 구

조를 나타내었다 . 2 단식 경가스 총은 크게 고압관 , 가압 관 , 발사관 , 노즐로 구성되어있으며 , 고압관과 가압관 사이에 제 1 격막 , 가압관과 발사관 사이에 제 2 격막이 삽

입된다 . 격막은 0.1 mm 의 두께를 가진 OHP 필름을 사

용한다 . 필름의 개수에 따라 견딜 수 있는 압력이 정해 져 있으며 , ^{필요한 압력이 도달한 순간 파열되도록 하였}

다 . 본 실험에서 고압 기체를 사용하기 위해 총포용 3 단 고압 압축기를 이용하였으며 , 약 150 bar 의 기체를 저장

Fig. 1 Schematics of ballistic range to produce super- sonic liquid jets

Fig. 2 Two-stage light gas gun

한 후에 순간적으로 사용할 수 있도록 하였다 . 고압관으 로부터 높은 압력으로 생성된 기체를 단열 압축시키기 위해 가압관에는 폴리 카보네이트로 제작된 피스톤이 삽입된다 .

2.2 액체 저장부 및 분사 노즐 구성

초음속 액체 제트를 생성하기 위해 설계된 분사 노즐 어셈블리는 Type-A, B 의 2 가지 형상이 적용되었다 . Fig.

3(a) ^{는 체적} 1,000 mm

^{으로 이루어진} Type-A ^{의 액체 저}

장부를 간략히 나타낸 그림이며 , 발사관으로부터 약

250 m/s 의 속도로 발사된 발사체 ( 질량 6 gram) 의 운동

에너지를 이용하여 OHP ^{격막을 통해 저장된 액체에 직}

접 충돌시킨 후 노즐 오리피스를 통해 분사 시킨다 . 물

을 사용한 Type-A 의 형상은 다양한 노즐 L/d 에 따른 초

음속 액체 제트의 분사 특성을 파악하기 위해 적용되었

다 . Fig. 3(b) 는 Type-B 의 형식을 나타낸 그림이며 체적

19,000 mm

의 액체 저장부로 이루어져 있다 . Type-B 의

액체 저장부는 피스톤의 빈틈없는 장착 (tight fit) ^{으로 액}

체를 보관하게 되고 피스톤 배후에 약 182 m/s 의 속도

를 가진 발사체 ( 질량 60 gram) 를 충돌 시켜 노즐 오리

피스로부터 액체를 분사 시키는 시스템으로 구성되어

있다 . Type-A 의 노즐 어셈블리는 직접적으로 매우 빠른

속도의 발사체가 격막으로 저장된 액체 저장부에 충돌 하여 짧은 시간에 높은 충격량으로 액체를 분사시킨다 .

반면 , Type-B ^{의 노즐 어셈블리는 액체를 저장하는 피스}

톤을 통해 비교적 낮은 충격량을 지속적으로 전달함으 로써 , 상대적으로 긴 가압시간을 가진다

. 실험에 사용

된 발사체와 피스톤은 Fig. 4 ^{에 나타내었으며} , ^{노즐 오}

리피스는 직선 원추형 노즐로써 오리피스 직경 (d), 길이

(L), 원추형 각도 ( α ) 등과 같은 기하학적인 형상이 Fig.

5 ^{에 구분되어 있다} . Table 2 ^에는 Type-A, B ^{각각에 사용}

된 노즐 오리피스의 기하학적 치수를 나타내었다 . Fig. 3 Nozzle assembly

Fig. 4 Projectile and piston

Table 2 Nozzle geometries Nozzle

Case D

(mm) (deg.) ^α L

(mm) d

(mm) L/d

Nozzle assembly type-A

1 5.2 45 3 0.5 6

2 5.2 45 4 0.5 8

3 5.2 45 6 0.5 12

4 5.2 45 6 1.0 6

5 5.2 45 8 1.0 8

6 5.2 45 12 1.0 12

Nozzle assembly type-B

1 5.2 45 15 0.8 18.75

Fig. 5 Nozzle configuration and dimension

2.3 유동 가시화 장치 구성

실험에 사용된 초고속 카메라와 유동 가시화 장치는

Fig. 6 과 같다 . 이 장치는 액체 제트의 분무 형상과 발사

체의 움직임을 연속 촬영하여 정량적인 분석이 가능하

다

. P7 LED Lamp ^{를 광원으로 사용하여 볼록 렌즈}

(convex lens) 와 핀홀 (pin hole) 을 통과시켜 빛을 평행하

게 조준할 수 있으며 , 두 개의 평면 거울 (plane mirror)

과 포물면 거울 (parabolic mirror) ^{을 이용해 실험 관측부}

의 넓은 영역을 커버하고 , 빛을 세밀하게 조절하도록 하 였다 . 또한 Photron 사의 FASTCAM-APX RS 250 KC 모 델의 초고속 CCD 카메라를 사용하여 , 384 × 96 pixel 의

이미지 크기에서 1 ^µ s ^{의 노출로} 50,000 fps ^{의 조건에서}

연속 촬영을 수행하였다 . 이는 최대 2000 m/s 의 분사 속

도와 65 mm 의 침투 거리를 촬영할 수 있다 .

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 초음속 액체 제트의 분무 특성과 충격파 구조 분석 고압관에서 150 bar 의 압력이 생성되었을 때 제 1 격 막이 파열되어 가압관으로 전달되고 그로 인해 단열 압 축된 기체는 발사체를 가속시켜 액체 저장부에 충돌하 게 된다 . 충돌 직후 분사된 초음속 액체 제트는 분사 초 기 약 1.2 배의 밀도가 상승하며 오리피스 출구에서 압

축파와 충격파를 관통하며 미립화 과정을 거친다 . Fig.

7 은 분사 초기 초음속 액체 제트의 분무 및 충격파 구

조를 자세히 나타낸 그림이다

. 초음속으로 분사되는

액체 제트 전방에는 궁형 충격파 (bow shock wave) 가 발

생한다 . ^{또한 공기역학적 항력에 의해 분무 외곽에서 미}

립화된 액적이 나타나며 , 분무 중심에서는 큰 운동량을 지닌 액주가 가속이 증가되면서 충격파를 관통하기 시 작한다 . ^{액주 형태로 분사된 액체 제트는 미립화 과정을}

거치지 못하고 액적 덩어리 (droplet clump) 을 이루며 분

사 된다 . 분사 후기에 운동에너지가 감소된 액주는 미립 화되며 다시 펄스 형태로 분사된 액주로 인해 다중 충 격파 (multiple shock wave) 를 생성하기도 한다 . 일반적으 로 분사 압력이 극초고압으로 상승함에 따라 액적 직경 이 작아져 무화된 액체 제트의 특성을 나타낼 것으로 예측되나 , 운동량이 큰 중심의 액주로 인해 분무 초기에 는 상대적으로 큰 액적들이 발생하였다 . 분무가 진행함 에 따라 액적 덩어리들이 후방에서 분열되어 미립화가 진행되는 현상을 관찰할 수 있다 . ^{노즐로부터 분사된}

초음속 액체 제트는 미시적 분무 특성을 파악하기 위해 미립화 정도를 SMD(sauter mean diameter) 로 평가하며 ,

증발이나 표면 연소에서는 액적의 면적이 중요한 의미 를 지니므로 실제 액체 제트 분무와 같은 체적과 표면 적의 비를 가지는 SMD 를 사용하도록 한다

. 참고 논 문의 초음속 액체 제트의 미립화 특성 실험 결과에 의 하면 SMD 는 노즐 오리피스 직경이 작아짐에 따라 감 소하는 특성을 나타내었으며 , 노즐 오리피스 길이 변화

에는 큰 변화 없는 균일한 SMD ^{분포를 나타내었다}

.

3.2 Type-A를 사용한 초음속 액체 제트의 분무 특성

Type-A 를 사용한 초음속 액체 제트의 분무 특성을 파

Fig. 6 Schlieren optical system and schlieren image(Pro- jectile)

Fig. 7 Flow field of supersonic liquid jets

악하기 위하여 노즐 L/d = 6, 8, 12 의 매개 변수를 적용 하였다 . Fig. 8, 9 는 각각 노즐 오리피스 직경 (d) 이 0.5,

1.0 mm ^{일 때} , L/d ^{에 따른 분사 이미지를 나타낸 그림이}

다 . 모든 조건에서 초음속 액체 제트는 전방에 충격파를 수반하며 액주 중심의 분사 에너지가 더 크게 작용하여 충격파를 관통하고 공기 역학적 항력을 받으며 분열되

는 특성을 파악할 수 있다 . Fig. 8(a), (b) 의 경우 노즐 출

구 가까이 생성된 액주 주변에 부채꼴 (fan-like) 같은 액

적 형상이 확인되었다 . 이 형상은 오리피스 길이 (L) 가 짧은 직선 원추형 노즐 내부의 끝 지점에 발사체가 강 하게 충돌하면서 발생할 수 있다 . ^{이로 인해 노즐 벽에}

높은 반사 충격 압력을 생성하면서 액적이 크게 분산된 형상이 나타난다

. Fig. 10 은 오리피스 직경이 0.5, 1.0

mm ^{일 때} , L/d ^{에 따른 초음속 액체 제트의 순간 속도 분}

포를 나타낸 그래프이다 . 노즐 오리피스 직경이 0.5 인

경우와 1.0 인 경우 모두에서 L/d=6, 8 일 때보다 L/d=12

Fig. 8 Various stage of supersonic liquid jets at L/d = 6(a),

L/d = 8(b), L/d = 12(c) and d = 0.5 mm Fig. 9 Various stage of supersonic liquid jets at L/d = 6(a),

L/d = 8(b), L/d = 12(c) and d = 1.0 mm

일 때 액체 제트의 순간 속도가 높은 경향을 보이고 있

다 . L/d 가 상대적으로 작을 때에는 노즐 유입구에 생성

된 공동 영역 (cavitation) 으로 인해 수력튀김현상 (hydrau-

lic flip) ^{이 발생하여} , ^{분무 초기부터 높은 항력을 받아}

다소 낮은 액체 제트의 순간 속도를 보인다 . L/d 가 증가

하여 공동 영역을 벗어나게 되면 공동 영역이 분무에 미치는 영향이 감소하며 , ^{높은 모멘텀으로 액주가 분사}

되어 액체 제트의 순간 속도가 증가한다 .

3.4 Type-B를 사용한 초음속 액체 제트의 분무 특성

L/d = 18.75 를 사용한 Type-B 의 분사 시스템은 Type-

A 에 비해 같은 압력 조건에서 발사체의 질량이 크고 충

격속도 ( ^약 182 m/s) ^{가 비교적 낮기 때문에 분사 초기 궁}

형 충격파가 생성되는 것은 동일하지만 , 액체 제트가 음

속을 돌파하지 못한 비교적 낮은 속도 ( 약 210 m/s) 의 범

위로 분사되기 때문에 모멘텀이 큰 중심의 액주가 충격 파를 관통하지 못하고 바로 분열되는 모습을 확인 할

수 있다 . Fig. 11 에 나타낸 그래프에서 분사 거리가 증

가함에 따라 대기중 항력의 영향으로 분사 속도가 감소 되기 때문에 궁형 충격파와 액체 제트 끝단 사이의 거

리가 증가되는 모습을 확인 할 수 있다 . Fig. 12 와 같이

액체 제트의 순간 속도는 변동이 심한 특성이 나타난다 .

이와 같은 특성은 충격량을 지속적으로 전달하는 Type- B 노즐 어셈블리의 형상과 관계가 있으며 , 충격량이 전 달되는 동안 피스톤과 노즐 출구 사이에서 반사되는 내 부 충격파 (reflected shock wave) ^{의 영향으로 보인다} . ^분

사가 진행 될수록 액주의 분열이 빠르게 생성됨과 동시

에 순간 속도가 감소되며 12.5 µ s 의 시간 간격으로 노즐

을 통해 새로운 액주가 펄스로 분사되어 순간 속도를

Fig. 10 Instantaneous spray tip velocity with L/d

Fig. 11 Various stage of spray and detached shock wave penetration distance

Fig. 12 Spray tip and detached shock wave velocity of

Type-B Nozzle

증가시킨다 . ^{초기 분사 후 펄스로 분사된 액체 제트는}

새롭게 137.5 µ s 시점에서 2 차 충격파 (second shock wave), 175.0 µ s 시점에서 다중 충격파 (multiple shock

wave) ^{를 생성하였다} . ^{액체 제트의 외관 주변에 형성되}

는 다중 충격파들은 액체의 분열 , 혼합 및 미립화 과정 에 중요한 역할을 한다 .

4. 결 론

본 연구는 발사체 - ^{액체 충격 방법을 사용한 초음속}

액체 제트의 분무 구조와 충격파 발생 특성을 쉴리렌

가시화 장치와 초고속 CCD 카메라를 사용하여 관찰하

였다 . ^{실험에 사용된 노즐 어셈블리는} Type-A ^와 Type-B

가 적용되었다 .

1) Type-A 의 노즐 어셈블리는 매우 빠른 속도 ( 약 250

m/s) ^{의 발사체가 직접 격막으로 저장된 액체 저장부에}

충돌하여 짧은 시간에 높은 충격량으로 액체를 분사시 켰다 . 노즐 내부의 끝 지점에 발사체가 강하게 충돌하 고 , 노즐 벽에 높은 반사 충격 압력을 생성하면서 액 적이 크게 분산된 모습을 보이는 부채꼴 액적 형상이

L/d = 6, 8 에서 확인되었다 . L/d 가 작은 경우 공동 영

역으로 인해 수력튀김현상이 발생하여 분무 초기에 높 은 항력으로 인한 다소 낮은 순간 속도가 발생하였고 ,

L/d 가 증가한 경우 , 공동 영역을 벗어난 높은 모멘텀

으로 액주가 분사되어 액체제트의 순간 속도가 증가되 었다 .

2) Type-B 의 노즐 어셈블리는 액체를 저장하는 피스

톤을 통해 비교적 낮은 속도 ( 약 182 m/s) 의 발사체 충격

량을 지속적으로 긴 가압시간을 전달하는 역할을 한다 .

액체 제트의 순간 속도는 약 210 m/s 의 범위에서 변동

이 심한 특성이 나타났고 이는 충격량이 전달되는 동안 피스톤과 노즐 출구 사이에서 반사되는 내부 충격파의 영향으로 파악되었다 . ^{피스톤의 지속적인 긴 압력 펄스}

로 인해 분사되는 액주는 2 차 충격파와 다중 충격파를 생성하였다 .

후 기

본 연구는 한국연구재단의 사업인 일반 연구자 지원

사업 협동 연구 ( 과제번호 : 2009-0087898) 의 일환으로

수행되었으며 지원에 감사드립니다 .

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