Atomization Characteristics of Effervescent Twin-fluid Nozzle with Different Nozzle Shapes

노즐 형상에 따른 Effervescent 이유체 노즐의 분무특성

이상지

^*

^†

Atomization Characteristics of Effervescent Twin-fluid Nozzle with Different Nozzle Shapes

Sang Ji Lee and Jung Goo Hong

Key Words: Elliptical nozzle(타원형 노즐), Twin fluid nozzle(이유체 노즐), Discharge coefficient(유출계수), SMD(액적 평균입경)

Abstract

An experimental study was carried out to investigate the spray characteristics of non-circular effervescent twin-fluid noz- zles. For this purpose, two types of non-circular nozzles (E1, E2) and circular nozzle (C) were used. Three types of aerora- tors with hole diameters of 1.2, 1.7 and 2.1 mm were used. Each aerorator has a total of 12 holes. It is defined by area ratio which is ratio of exit orifice area and aerator hole area. Experiments were carried out by controlling the amount of air flowing after fixing the flow rate of the liquid, and the nozzle internal pressure and SMD were measured, and the jet image was taken from the nozzles. The discharge coefficients of the three kinds of nozzles were compared with the used in plain orifice’s equation and the Jedelsky’s equation, and the Jedelsky’s equation was found to be about 3 times larger. In addition, empirical formula based on ALR, which is the largest variable in Jedelsky's equation, was derived. The droplet sizes(SMD) were found to be smaller in the non-circular shape than in the circular shape, which is concluded to be caused by the dif- ference of the discharge coefficients.

1. 서 론

현재 많은 선행연구자들에 의해서 원형노즐과 압력분 무형식의 노즐에 대한 실험적 연구는 많이 진행되어 있 는 상황이다. 그러나 이유체 타원형 노즐의 경우, 분무 특성에 관한 연구와 데이터 등의 부족으로 인해서 최적 화된 분무조건을 찾기 어려운 실정이다^(1-4). 따라서 다양 한 노즐 형상에 따라 각 산업이나 현장에 최적화된 분 무특성을 찾아야할 필요성이 대두된다.

더 나아가 미립화의 특성을 향상시키기 위해 원형 노 즐이 아닌 노즐의 출구 오리피스 형상을 타원형이나 삼각 형 등으로 제작하여 연구한 결과들도 보고되고 있다^(5-8). 특히 원형노즐 대비 타원형 노즐의 경우 동일한 분사조 건에 있어서 미립화의 특성과 성능이 향상되는 결과를 보이는 것으로 나타났다^(7-9). 또한 디젤엔진에서 분사되 는 연료와 공기간의 혼합이 타원형 노즐에서 더 효과가 있는 것으로 나타났다⁽⁵⁾. 이는 노즐의 오리피스에서 발 생한 캐비테이션(Cavitation)이 노즐 외부의 분무특성뿐 만 아니라 유출계수와 같은 내부유동의 분무특성에도 영향을 끼치기 때문이다^(1,10,11).

Hong⁽⁷⁾등은 원형노즐에 비해 타원형 노즐이 더 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)에서 캐비테이션이 발생 한다고 하였으며, 동일 레이놀즈수에서는 타원형 노즐 의 유출계수가 원형 노즐보다 낮게 나타났다고 보고했

(Recieved: 9 Aug 2017, Recieved in revised form: 18 Sep

2017, Accepted: 22 Sep 2017)

*

경북대학교 기계공학과

†

책임저자, 회원, 경북대학교 기계공학과

E-mail : [email protected]

TEL : (053)950-6570 FAX : (053)950-6550

다. K. Rananurith 등⁽⁹⁾은 노즐의 형상비에 따른 유출계 수가 노즐 형상비가 커지고, 출구 오리피스의 직경이 작 을수록 커진다고 하였다. 또한 노즐의 형상비와 출구 오 리피스의 직경이 캐비테이션의 발생에 중요한 변수라고 발표하였다. Park⁽⁸⁾등은 노즐 형상비가 커질수록 캐비테 이션 시작 유동에서 유출계수와 하이드로 플립(Hydro flip) 유동에서의 유출계수가 차이가 작아졌다고 보고했다.

따라서 본 연구에서는 첫째, 노즐의 형상에 따른 분무 특성을 확인하기 위해 원형 노즐과 타원형 노즐 간의 분무특성을 비교하였으며, 두 번째로, 장축과 단축의 비 가 다른 타원형 노즐 간의 분무특성을 비교함으로써, 원 형노즐뿐만 아니라 형상비가 다른 타원형 노즐 간의 분무 유량, 액적크기, 유출계수 등의 분무특성을 살펴보았다.

더불어 기존의 압력분무 방식의 유출계수를 Efferves- cent 이유체 노즐에서 적용하기 위한 방법으로 Jedelsky 가 제안한 이유체 노즐에서의 유출계수식과 비교해 이 들의 차이를 비교하였다. 또한 본 연구를 통해 획득된 실험 데이터를 기반으로 Jedelsky의 유출계수 계산식에 서 가장 큰 영향을 끼치는 변수인 ALR(Air to liquid mass ratio)을 통해 새로운 유출계수를 본 연구 실험식으 로 도출하여 제안하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 노즐

실험에 사용한 노즐은 아크릴로 제작된 Effervescent 노즐이다. Lefebvre⁽¹⁰⁾에 따르면 Effervescent 형식의 노

즐은 노즐 내부의 갑작스러운 압력강하로 인하여 다른 이유체 노즐에 비해 미립화 특성이 우수한 것으로 나타 났다. Effervescent 노즐은 중심축으로 액체(Liquid)가 공 급되어 들어가고 노즐 양쪽으로 보조 공기(Air)가 들어 가는 Outside-in air injection 타입과 노즐 중심축으로 보

Fig. 1 Schematic diagram of the nozzle body figure

Fig. 2 Schematic diagram of the nozzle

Table 1 Configuration of Test Nozzle Major Axis

(mm)

Minor Axis (mm)

Exit Orifice Area (mm²)

Aerorator Dia.

(mm)

Aerorator Area

(mm²) Area Ratio

C 3.0 3.0 7.1

1.2 13.6 1.9

1.7 27.2 3.9

2.1 41.6 5.9

E1 4.1 2.1 6.7

1.2 13.6 2.0

1.7 27.2 4.0

2.1 41.6 6.0

E2 5.1 1.7 6.8

1.2 13.6 2.0

1.7 27.2 4.0

2.1 41.6 6.1

조 공기가 유입되고 노즐 양쪽으로 액체가 유입되는 Inside-out air injection 타입이 존재한다. 본 연구에선 Fig. 1과 같은 Outside-in air injection의 Effervescent 이 유체 노즐을 가지고 실험을 진행하였다.

실험을 위해 Fig. 2과 같이 출구 오리피스 직경이 3 mm 인 원형노즐(C)과 원형노즐과 거의 동일한 출구 면적을 갖는 타원형 노즐(E1, E2)을 제작하였다. 타원형 노즐은 형상비에 따른 비교를 하기 위해 장축과 단축의 비가 2:1 인 E1노즐과 장축과 단축의 비가 3:1을 가진 E2노즐이다.

총 3가지의 노즐을 이용하여 비교실험을 진행하였다.

노즐 내부에 장착되는 에어로레이터(Aerorator)는 홀 (Hole)의 직경을 1.2, 1.7, 2.1 mm로 구분하여 실험을 진행 하였다. 각각의 에어로레이터는 총 12개의 홀을 가지고 있다. 또한 에어로레이터의 총 면적과 출구 오리피스의 면적을 면적비(Area Ratio)로 표현하였고, 자세한 수치는 Table 1에 나타내었다. 세 종류의 노즐은 면적비에 따라서 약 2, 4, 6의 에어로레이터 조합을 가지고 실험을 진행하 였다.

(1) Table 2는 실험에 사용된 작동유체의 조건을 나타난 표이다. 작동유체로는 상온의 물과 공기를 사용하였다.

실험은 액체 유량을 2 kg/min으로 고정시킨 채 공기 유 량을 0.03~0.18 kg/min으로 조절하며 실험을 진행하였 다. 이를 공기 질량유량과 액체 질량유량의 비인 ALR 로 표현하였다.

(2)

2.2 실험 장치

실험 노즐의 분무특성을 조사하기 위해 Fig. 3과 같은 실험실 규모의 분무 실험 장치를 구성하여 진행하였다.

실험 장치에서 액체의 공급은 약 10 bar의 압력으로 가 압되는 질소가스를 이용해 서지탱크에서의 압력을 일정 하게 가압하였다. 분사되는 압력은 서지탱크(Longer Pump, BT100-2J)와 질소가스통 사이에 존재하는 가스 압력 조정기(Pressure Regulator)를 이용해 압력을 조절 하였다. 분사되는 액체의 유량은 니들밸브(Needle Valve)를 통해 2 kg/min으로 고정시켰다. 보조공기의 공 급은 컴프레서(Compressor)를 통해 가압되어 공급되었 으며, 니들밸브를 통해 보조공기의 유량을 조절하여 실 험을 진행하였다. 또한 액체와 보조공기의 유량은 디지 털 플로워 미터(SMC, PF2A711)와 데이터 획득 보드(NI DAQ-9172, National instruments)를 통해 실시간으로 유 량의 값을 확인하였다. 노즐의 내부압력은 압력센서 (Pressure transducer)를 이용해 값을 측정하였으며, 유량 과 마찬가지로 데이터 획득보드를 사용해 실시간으로 그 값을 측정하였다. 유량과 노즐 내부압력은 유량, 압 력센서의 값을 100 Hz로 샘플링 하여 5초간 측정한 값 의 평균이다. 분사되는 유체의 가시화를 위한 분사의 이 미지 촬영은 CCD 카메라(View works, VM-2M 35)와 광원(Drelloscop 3020)을 사용하여 2 kg/min으로 고정된 액체유량 조건에서 보조 공기의 유량을 0.18 kg/min부 터 0.03 kg/min으로 감소시키며 분무이미지를 촬영하였 다. 노즐로부터 분사되는 액적의 크기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser diffraction) 원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-5, 측정범위(약 8~450 µm), 작동거리(400 mm 이내), Laser spot radius:

3.9[pixel]), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하여 측정하였다. SMD 측정은 노즐 팁(Tip)으로부 터 200 mm 분무하류에서 분무선단 방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보를 수광부(Detector)에 수신 하여 SMD를 획득하였다⁽¹¹⁾.

Area Ratio Aerorator area Exit orifice area ---

=

ALR Air mass flowrate

Liquid mass flowrate ---

=

Table 2 Experimental Condition

Liquid Water

Liquid density (kg/m³) 1000 Atomizing air Air Air density (kg/m³) 1.226 Liquid flow rate (kg/min) 2

Air flow rate (kg/min) 0.03~0.18

ALR 0.015~0.09

Fig. 3 Schematic diagram of the experimental setup for measurement of spray characteristics

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 출구 오리피스에 따른 노즐 내부압력

Figure 4는 ALR이 증가함에 따라 노즐 내부의 압력 을 확인한 그래프이다. 모든 그래프에서 ALR이 증가할 수록 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 확인하였다. 또 한 원형노즐 C보다 E1, E2노즐 순으로 전 영역에 걸쳐 서 노즐 내부압력이 증가하는 경향을 보였다. 동일한 노 즐에서 에어로레이터의 변화에 따른 노즐내부압력의 차

이가 약 3%가량으로 크지 않음을 확인하였다. 따라서 노즐내부압력은 에어로레이터 면적의 차이보다 원형 또 는 타원형 노즐 등의 출구 오리피스의 형상이 분무특성 에 더 큰 영향을 줄 것으로 예상된다.

또한 Fig. 5의 그래프에서 C보다 E1이 전 영역에 걸쳐 서 평균내부압력이 약 5.7% 높으며, E2노즐에서는 약 12.3% 평균내부압력이 더 높은 것을 확인하였다. 타원형 노즐 간에는 형상비가 큰 E2노즐이 E1노즐보다 전 영역 에 걸친 평균 내부압력이 약 6.2% 높은 것으로 나타났다.

3.2 유출계수(Discharge Coefficient)

일반적으로 단공노즐에서 사용하는 압력분무 방식의 유출계수는 이론상의 질량 유량 대비 실 제 유출되는 질량 유량의 비로 나타낼 수 있다. 반면 Jedelsky가 제안 한 이유체 노즐에서의 유출계수 계산식은 식 (3)과 같다.

먼저 식 (4)의 CD1은 작동유체의 물성치와 관련된 식이 며, 식 (5)의 CD2는 노즐의 형상과 관련되는 식이다. 마 지막으로 식 (6)의 CD3는 G와 GLR(Gas to Liquid mass Ratio)과 관련된 식이다.

(3) (4) (5)

(6)

(7)

C D = C _D1 C _D2 C _D3

C _D1 = ( ) μ′ ^0.04 ( ) σ′ ^0.02 C _D2 0.62 l o

d o ---sin 2 ( ) β ^0.5

⎝ ⎠

⎛ ⎞ ^{– 0.11}

=

C _D3 G

2 pρ Δ l --- 1

1 GLR + ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

=

G ( G HFFM + G SFM ) --- 2

=

Fig. 5 Average internal pressure differences in nozzle shape

(8)

(9)

식 (7)은 식 (8)과 (9)의 평균값이고, 식 (8)과 (9)에서 π는 압력비(Pressure ratio)이며 α는 이유체 노즐에서 사 용되는 가스의 체적분율(Volume fraction)을 나타낸다.

3.3 계산식에 따른 유출계수 차이

Figure 6는 압력분무방식으로 계산하여 유출계수를 확인한 그래프이다. ALR이 증가함에 따라 유출계수가 감소하는 경향을 보여준다. 이는 노즐 출구 오리피스의 형상과 관계없이 모두 동일한 경향을 보였다.

반면 Fig. 7는 Jedelsky가 제안한 이유체 노즐의 유출

G HFFM

2p ₁ α ₁ ν ₁ --- 1 – α ₁

α ₁ ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ 1 π ( – ) k k 1 – ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ 1 π ⁽ --- ^{k 1 – k )}

⎝ – ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

+

1 2 ⁄

π ^{– 1 k ⁄} 1 – α ₁ α ₁ ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

+

---

=

G SFM = ( GLR 1 + ) p ₁ ×

1 2 1 ( – π )ρ l

--- GLR π ^{– 1 k ⁄} 2 ρ gl k

k 1 – --- 1 π

k 1 –

( )

--- k

⎝ – ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

--- +

1 –

Fig. 6 Discharge coefficient differences in nozzle shape in calculated by plain orifice nozzle

Fig. 7 Discharge coefficient differences in nozzle shape in calculated by twin-fluid nozzle (Jedelsky’s eq.)

계수 계산식으로 도출한 그래프이다. Fig. 6와 거의 유 사한 경향성을 확인하였다. 하지만 Jedelsky가 제안한 유출계수는 압력분무형의 유출계수의 결과에 비해 약 3~4 배 큰 것으로 확인되었다.

본 실험에서 사용된 Effervescent 노즐이 이유체 노즐 의 한 형태이므로, 미립화용 공기의 영향이중요하다고 판단된다. 따라서 Fig. 8은 Jedelsky가 제안한 이유체 계 산식 중 가장 큰 지배적인 영향을 끼치는 CD3의 ALR 만을 이용해 실험결과를 커브 피팅(Curve fitting)하여

나타내었다. 아래 식 (10, 11, 12)은 이에 따라 계산한 식이며 식 (10)은 원형노즐, 식 (11)과 (12)는 타원형노 즐(E1, E2)에서 계산한 식이다. 모든 계산은 각 노즐 마다 에어로레이터 1.2를 사용하여 나타낸 유출계수 식이다.

(10)

(11)

C DC = 0.3e ^{( – ALR 0.05 ⁄ ) 0.08 +}

C _DE1 = 0.27e ^{– AL R 0.05 ( ⁄ ) + 0.074}

in calculated by Jedelsky method curve fitting in

ALR (aerorator 1.2 mm) Fig. 9 SMD of the ALR

(12)

식 (10, 11, 12)를 보면 원형노즐에서 뿐만 아니라 두 종류의 타원형 노즐 모두에서 거의 동일한 계수 값을 갖는 것을 확인하였다. 이 식은 Jedelsky가 제안한 식보 다 간결하므로 높은 정확도를 요구하지 않는 실제 산업 이나 현장에서 활용도가 높을 것으로 예상된다.

3.4 노즐 형상에 따른 SMD 차이

Figure 9은 ALR에 따른 SMD를 나타낸 그래프이다.

모든 노즐에서 ALR이 증가할수록 SMD 값이 감소하는 경향을 갖고, 에어로레이터의 변화에 따라 SMD의 영향 은 크지 않음을 확인하였다. 또한 C에서 E1, E2노즐 순 으로 SMD가 감소한다. C노즐에서의 SMD가 E1노즐보 다 전영역에서의 평균 SMD는 약 5.2% 크며, E2 노즐 보다는 11.1% 큰 것을 확인하였다. 타원형 형상비에 따 른 SMD는 E1이 E2노즐보다 약 5.5% 큰 것을 확인하였 다. 이러한 노즐 형상에 따른 SMD 차이는 Fig. 5에서의 노즐 형상에 따른 내부압력의 차이와 Fig. 6, 7의 노즐 형상에 따른 유출계수의 차이로 인한 것으로 판단된다.

이유체 노즐에서 내부압력이 높을수록 SMD는 작아지 며, 유출계수가 작을수록 ALR이 증가하게 되므로 SMD 의 크기는 작아진다.

4. 결 론

(1) ALR에 따른 노즐 평균 내부 압력은 E2 노즐이 C 노즐보다 약 12.3% 높은 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 노즐에 관계없이 에어로레이터 면적에 따른 노즐 내부 압력의 차이는 크지 않은 것을 확인하였다. 따라서 노즐 내부압력은 에어로레이터 총 면적보다 출구오리피스 형 상에 영향을 더 받는다.

(2) 압력 분무 방식의 유출계수와 Jedelsky가 제안한 이유체 노즐 유출계수를 비교한 결과 약 3~4배 정도 차 이가 있음을 확인하였고, 본 연구를 통해 ALR만을 고 려한 유출계수 식을 제안하였다.

(3) SMD는 C 노즐에서 E1, E2 노즐 순으로 작은 값 을 가지며, C가 E2의 SMD보다 약 11.1%큰 것을 확인 하였다. 이는 노즐 형상에 따른 내부 압력과 유출계수의 영향으로 판단된다.

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C _DE2 = 0.27e ^{( – ALR 0.05 ⁄ ) 0.08 +}