Effect of Swirl Angle on the Atomization Characteristics in Twin-Fluid Nozzle with Dual Air Supplying

이중공기공급 2-유체 노즐의 선회각 변화에 따른 미립화 특성

우재문 ^* ·김의수

^*

·김덕진 ^** ·이지근 ^†

Effect of Swirl Angle on the Atomization Characteristics in Twin-Fluid Nozzle with Dual Air Supplying

J. M. Woo, E. S. Kim, D. J. Kim and J. K. Lee

Key Words: Twin-fluid nozzle(2-유체 노즐), Swirl angle(선회각), Dual air supplying(이중공기공급), Droplet size (액적크기)

Abstract

The atomization characteristics of the dual air supplying two-fluid nozzle were investigated experimentally using PIV and PDA systems. The twin-fluid nozzle is composed of three main parts: the feeding injector to supply fluid that is controlled by a PWM (pulse-width modulation) mode, the adaptor as a device with the ports for supplying the carrier and assist air, and the main nozzle to produce sprays. The main nozzle has the swirler with four equally spaced tangential slots, which gives the injecting fluid an angular momentum. The swirl angle in the swirler varied with 0

^o

, 30

^o

, 60

^o

and 90

^o

. The ratios of carrier air to assist air and ALR (total air to liquid) were 0.55 and 1.23, respectively. The macroscopic behavior of the spray was investigated using PIV system, and the AMD and SMD distributions of the sprays were measured using PDA sys- tem. As a result, the SMD distribution increases along the radial distance, and it decreases with the increase of swirl angle in swirler.

기호설명

AFR : 이송공기/보조공기 공급비 dn : 노즐출구 직경

b : 분무반폭 AMD : 산술 평균 입경 SMD : Sauter 평균 입경

1. 서 론

액체의 미립화는 노즐의 형상과 더불어 분사되는 액 체 및 주위기체의 물리적 특성, 분사압력에 따라 많은 영향을 받는다. 특히 액체의 분열에 의해 형성된 분무의 액적 크기 및 속도는 노즐의 기하학적 형상에 의해 큰 영향을 받는다. 산업전반에 활용되는 다양한 노즐 중 2- 유체 노즐은 액체에 공기를 직접 충돌시켜 미립화를 형 성하므로 보다 작고 균일한 분무를 얻을 수 있으며 공 기량 조절을 통해 액적 크기분포를 조절할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 그러나 액체 분열의 에너지원으로 작 용하는 공기의 운동량이 낮은 영역에서 미립화 특성이 나빠지는 단점을 지니고 있다. 이러한 단점을 극복하고 미립화 성능을 향상시키기 위하여 공기를 선회시켜 액 체에 충돌시킴으로써 충돌에 의한 에너지 전달 및 파동 효과를 증대시켜 미립화 성능을 향상시키는 2-유체 선

(2008

년

7

월

4

일접수

~ 2008

년

8

월

28

일심사완료

)

*전북대학교대학원정밀기계공학과

**자동차부품연구원환경시스템연구센터

†책임저자

,

회원

,

전북대학교정밀기계공학부

, RCIT E-mail : [email protected]

TEL : (063)270-2369 FAX : (063)270-2388

회분사노즐에대한연구가활발히수행되고있다

.

2-

유체노즐에대한연구를살펴보면

, Mao

등⁽¹⁾은공

기보조형선회노즐분무에서액적크기분포와공기속도 계측에관한연구를수행하여

SMD

^{는액체와공기의질}

량유량비에선형적인관계가 있음을밝혔고

,

분무각이 넓을수록평균액적직경이작아진다는결론을 얻었다

. Rho

^{등(2)은외부혼합형}

2-

^{유체선회노즐에서공기에각}

운동량을부여하는선회기의각도와

ALR(air to liquid

mass flow ratio)

의변화에따른분무특성에관한연구를

통하여선회각이증가함에따라

SMD

^{는감소한다는결}

과를발표하였다

. Kang

등⁽³⁾은내부혼합형

2-

유체선회 노즐에서공기와액체의선회기의각도및기체와액체

의유량비변화에따른축방향평균속도

, SMD,

난류강

도에대한 연구를수행하였으며

, SMD

^{는공기 유량이}

증가할수록작아짐을보인바있다

. Lee

등⁽⁴⁾은선회형

2-

유체노즐의선회각과공기공급량변화에따른분무

의유동특성 고찰에서선회각이증가하면 분무각이증 가하고

,

보다넓은영역에서난류확산현상이나타남을

보고한바가있다

. Kim

등⁽⁵⁾은액체와공기가노즐내

부에서충돌을일으키도록각각반대로선회를줌으로 써내부교란효과를증가시키도록고안된역선회

2-

유 체노즐의미립화특성을고찰한바가있다

.

한편

,

^{액체흐름내에공기를주입하여이상유동을형}

성하여분사할경우미립화가매우효과적으로이루어 지며부가적으로고온에노출된노즐의과열을방지할 수있다

.

이와관련하여

Lefebvre

등⁽⁶⁾은액체에기체를 직접주입시켜

2

^{상유동을형성한후분사시키는장치}

를고안하였으며

, Whitlow

와

Lefebvre

⁽⁷⁾는동일한노즐 의내부유동가시화를통하여

ALR

이증가하면서노즐 내부의 유동이 기포류

(bubbly flow),

^천이류

(transition flow),

환상류

(annular flow)

로변함을관찰하였다

. Roesler

와

Lefebvre

⁽⁸⁾는액적크기분포가분사압력과

ALR

의증 가에따라액적크기가감소한다는결과를발표하였다

. Sovani

등⁽⁹⁾은

2-

유체노즐의압력

, ALR,

액체의물성치

,

노즐형태의변화에따라서액적의크기

,

속도

,

분무각 등을실험적으로조사하였다

.

본연구에서는

Lefebvre

등^(6~8)과

Sovani

등⁽⁹⁾이제안 한공기주입형노즐에보조공기를가함으로써미립화를 향상시키고동시에보조공기량의조절을통하여액적크

기분포를조절할 목적으로

Fig. 1

^{에나타낸바와같이}

공기를이중으로공급하는내부혼합형

2-

유체선회노 즐을제작하였다

.

이상유체유동을형성하기위한공기 는노즐상부에서주입되어액체와함께노즐로공급되

며노즐선단에서미립화를촉진하도록보조공기가선회 기를통과하면서각운동량을갖고이상유체에주어진다

.

본연구는작동유체로물과공기를사용하였으며

,

이 중공기공급구조를가지는

2-

유체선회노즐에서보조공 기를공급하는선회기의선회각변화에따른분무의미 립화특성을조사하였다

.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

이중공기공급

2-

^{유체노즐의선회각 변화에따른미}

립화특성을조사하기위해

Fig. 2

에나타낸바와같은

시험용이유체노즐

,

액체및공기공급장치

,

유량조절

장치

, PDA

^시스템

, PIV

^{시스템으로구성된실험장치를}

사용하였다

.

액체공급장치는액체를 일정압력으로가 압하기위한컴프레서와압력용기

(pressure vessel),

압력 조절기

,

압력조절밸브등으로구성되어있다

.

공기공 급장치는수분제거기

(water remover),

^압력용기

,

^압력조

절기

,

유량조절밸브

,

유량계측기

(mass flow controller)

로구성되어있다

.

Figure 3

^{은본실험에이용된이중공기공급}

2-

^유체

노즐의구성을나타낸것으로보조공기를이용한내부 혼합형

2-

유체선회노즐에해당된다

.

노즐은크게액체 를공급하는 액체공급노즐

(feeding injector),

^액체에공

기공급및보조공기 공급을위한포트를갖는 어댑터

(adaptor),

메인노즐

(main injector),

메인노즐과어댑터를 연결하는전달파이프

(delivery pipe)

^{로구성되어있다}

.

Fig. 1 Atomization mechanism with dual air supplying

메인노즐은 노즐캡

(nozzle cap)

^과스월러

(swirler)

^로

구성되어있으며전달파이프는 내외부이중관로로서 이상유체와보조공기가분리공급되어메인노즐에서혼 합되도록되어있다

.

^{이때이상유체형성을위해공급되}

는공기는이송공기

(carrier air),

그리고미립화 촉진을

위한공기를보조공기

(assist air)

로정의하였다

.

액체공급노즐은가솔린자동차에널리사용되는

MPI

방식의노즐로써일정주기

(Hz)

^와부하

(duty)

^에의해제

어되는

PWM(pulse-width modulation)

방식을사용하였

다

.

여기서적용된 주기는

30 Hz

이고부하는

30%

로써

액체를간헐적으로어댑터내로공급하게된다

.

^어댑터

에서이송공기와혼합된이상유체는전달파이프를통하 여메인노즐로이송되어노즐팁에서보조공기와혼합 되어분무를형성하게된다

.

본연구에서는이상유체에부가되는보조공기에각운 동량을부여하여미립화를촉진시키고자보조공기가통 과하는슬롯이 선회각을갖도록선회기를제작하였다

.

선회기의선회각은

Table 1

에도시한바와같이

0°, 30°,

60°, 90

^o의각을갖고있으며스월그루브의폭은

1 mm,

높이는

0.882 mm

이다

.

한편이상유체가분사되는스월

러내부오리피스는직경

1 mm,

길이

4 mm

로서길이

대직경비가

4

^이다

.

^{노즐캡의직경}

(2 mm)

^{을노즐출구}

직경으로정의하였으며축방향거리의무차원변수로이 용하였다

.

2.2 실험조건 및 측정방법

미립화를위하여공급되는이송공기와보조공기는공 급압력을일정하게유지하기위하여압력용기에서압력 맥동을소거하고

,

압력레귤레이터와유량조절밸브를 사용하여일정한유량으로공급하였다

.

이송공기와 보 조공기의유량조절및계측을위하여공급관로에유량 계

(KOFLOC Co., 3660 mass flow controller)

를설치하 였다

.

이송공기량은

12.24 g/min,

보조공기량은

22.21 g/

min

으로서이송공기와보조공기의질량비는

0.55

이다

.

모든실험에서공기의질량유량비와총공기공급질량유 량

(34.45 g/min)

을일정하게유지하였다

.

액체로는증류수를사용하였으며

,

압력용기에서일정 압력으로가압한후액체공급노즐로공급하였다

.

^액체

의공급유량은 모든조건에서

27.96 g/min

으로일정하 게유지하였으며

,

결과적으로전체공급공기와의질량

비는

1.23

^{으로유지하였다}

.

이송공기

,

보조공기및액체공급질량유량의측정은 실시간계측이가능하도록구성한데이터획득프로그 램을사용하였다

.

^{본실험에적용된 공기및액체공급}

Fig. 2 Experimental setup for measuring spray droplet size

of twin-fluid nozzle

Fig. 3 Configuration of twin-fluid nozzle

Table 1 Specification of the nozzle swirler

Swirler angle 0

^o

30

^o

60

^o

90

^o

Swirler shape Cross section view of nozzle

swirler

Table 2 Experimental conditions Air flowrate

(g/min)

Carrier air (C.A) 12.24 Assist air (A.A) 22.21

Total air 34.45

Liquid (g/min) 27.96

C.A/A.A 0.55

ALR 1.23

유량조건을

Table 2

에나타내었다

.

PDA

^{시스템을 이용한액적크기측정을위해노즐}

출구를 원점으로설정하였으며

,

분무의축방향을

Z

축

,

반경방향을

Y

축으로정의하였다

.

축방향으로

100 mm

위치까지는

10 mm

간격씩

, 100

에서

200 mm

사이는

20 mm

^{간격으로측정위치를 설정하였다}

.

^{분무의반경방}

향으로는

30 mm

위치까지는

3 mm

씩

, 30

에서

60 mm

사이는

5 mm

간격으로 측정위치를설정하였다

.

측정

은

3

^{차원이송장치를이용하여연속적으로수행되었으}

며각측정점에서

25,000

개의액적을 샘플링하여평균

처리하였다

. Fig. 4

에

PDA

계측을위하여구성된측정

점에대한그리드를나타낸것이다

.

3.결과 및 고찰

3.1. 분무 이미지

Figure 5

는선회각

0°, 30°, 60°, 90°

에대한분무이

미지를나타내고있다

.

^{분무이미지는}

PIV

^{시스템을이}

용하여얻어졌으며분무유동장의 중앙을레이저쉬트 가통과하도록하고수직한방향에서획득한것이다

.

따 라서이미지에서나타나는빛의밝기는분무내에포함 된액적들의수밀도와관련이있으며밝게보이는부분 은액적수밀도가높은부분이고어둡게보이는부분은 수밀도가낮은부분으로유추할수있다

.

분무이미지를살펴보면대칭구조를이루고있으며

,

중심부의형태가불규칙적인나뭇가지모양의수형구조 를형성하고있음을확인할수있다

.

^{이것은액체공급노}

즐이

30 Hz

^의주기와

30%

^의부하

(duty)

^{를갖고간헐적}

으로액체를어댑터내로공급하면 연속적으로공급되 는이송공기와혼합하여메인노즐로이송된후보조공 기와혼합하여분무를형성하기때문이다

.

^{따라서분무}

내부의수밀도분포는균일하지않고액체공급노즐의 주기와부하에비례하여불균일분포를형성하게된다

.

이러한결과로부터어댑터와메인노즐을연결하는전 달파이프내부유동은연속적인이상유동이아니라기 체

-

액체플러그유동이불규칙적으로발생함을분무의 수형구조로부터알수있다

.

3.2. AMD 분포

Figure 6

은노즐 출구로부터축방향거리

30 mm

와

Fig. 4 Definition of axis and measurement points

Fig. 5 Photograph illustrating atomization

90 mm

떨어진지점에서반경방향거리변화에따라측 정한

AMD

를선회각변화에대하여나타낸결과이다

.

선회각에따른

AMD

분포에서선회각이

0

^o인경우상

대적으로큰

AMD

^{분포를나타내고있어보조공기에각}

운동량이부가될경우미립화촉진에큰효과가있음을

알수있다

. Z=30 mm

에서선회각변화에따른

AMD

는

Y < 6 mm

^{에서선회각이}

60

^{o일때가장작은값을나타}

내고있으며

,

분무외곽에서는

90

^o가가장작은분포를

나타내고있다

. Z=90 mm

위치에서는 반경방향거리변

화에대하여약간증가하는경향을나타내고있으나비

교적균일한

AMD

분포를나타내고있으며

,

선회각이

60

^o일때가장작은

AMD

분포는나타내고있다

.

3.3. SMD 분포

Figure 7

은노즐출구로부터축방향거리

30 mm, 90

mm

떨어진지점에서반경방향으로거리 변화에따라

측정한

SMD

를선회각변화에따라나타낸것이다

. Z=30 mm

위치에서

SMD

는

Y < 3 mm

의분무중심 영역에서는선회각

0

^{o인경우반경방향거리증가에따}

라

SMD

가약간감소하는경향을보이지만

,

선회각

30°,

60°, 90

^o가일정한값을형성하고 있다

.

그러나

Y > 3 mm

^{의분무외각에서는모든선회각에서증가하는경향}

을나타내고있다

. Z=90 mm

위치에서

SMD

분포는모

든선회각에서분무외각으로 갈수록증가하는경향이 보이고있으며

,

^선회각

90

^{o의경우가가장작은크기를}

나타내고있다

.

이러한현상은선회각이증가할수록분무에부가되는 각운동량이증가하여 분무의확산과더불어비교적큰 액적이분무외곽으로확산되기때문으로판단된다

.

SMD

분포를

Fig. 6

에나타낸

AMD

결과와비교해보

면전반적으로

15~20

μ

m

정도증가된액적크기를나타

Fig. 6 AMD distributions with radial distance Fig. 7 SMD distributions with radial distance

내고있다

.

^{이것은분무의액적크기분포가비교적넓게}

형성되고있으며

,

분무외곽으로갈수록비교적큰액적

이다수분포하고있음을나타내는것이다

.

또한

Z=30

mm

^의

Y > 4 mm

^{에서선회각이있는경우가선회각}

0

^o

의경우보다비교적큰

SMD

분포를나타내는것은선

회유동이분무의확산과더불어미립화를 촉진시켜액 적크기분포가넓어진결과이다

.

3.4 Dv

^0.9 분포

Figure 8

^{은노즐출구로부터축방향으로}

30 mm, 90

mm

떨어진지점에서반경방향거리증가에따른

Dv

^0.9

를선회각에대하여나타낸것이다

.

Dv

^0.9는액적크기분포함수에서체적누적분율이

90%

가되는지점의액적크기로서액적크기분포를유추할 수있는중요한대표직경이다

.

Z=30 mm

^{에서선회각}

0

^{o의경우가가장작은크기를}

나타내고있다

.

이것은보조공기가각운동량없이대부 분축방향으로분사되어액적

-

공기상대속도증가에의 해미립화를촉진시켜비교적큰크기의균일한액적이 형성되었기때문이다

.

그러나

Z=90 mm

에서선회각

90

^o

의경우가가장작은크기를나타내고있어선회유동에 의해분무의미립화가촉진됨을알수있다

.

3.5 Mean AMD

와

mean SMD

Figure 9

^와

10

^은

Z=200 mm

^까지

15

^{개의축방향위치}

에서반경방향으로 측정된

AMD

와

SMD

의반경방향 단면의평균값을선회각변화에대하여나타낸것이다

. AMD

와

SMD

의축방향거리변화에따른변화경향을

살펴보면

Z=100 mm

^{근처까지급격한감소경향을보인}

후비교적완만한감소 또는일정한값으로유지되는 경향을나타내고있다

.

이것은

Z=100 mm(Z/d

ⁿ

=50)

이내

Fig. 8 Dv0.9 distributions with radial distance

Fig. 9 Mean AMD distributions with axial distance

Fig. 10 Mean SMD distributions with axial distance

에서대부분의액적이분열되는영역으로판단할수있 다

.

선회각에 따른 액적 크기변화를 살펴보면 평균

AMD

^{의경우선회각}

60

^o일때

,

^{그리고평균}

SMD

^의경

우선회각

90

^o일때가장작은크기를나타내고있음을 알수있다

.

Figure 11

^과

12

^{는분무의 전체유동영역을포함하는}

225

개의측정점의전체평균

AMD

와

SMD

를선회각변

화에따라나타낸것이다

.

전체평균

AMD

는선회각이

60°

^{일때가장작은값을나타내고있다}

.

^선회각이

90

^o

의경우

Fig. 9

에서알수있듯이

Z=50 mm

이후부터액

적의합착등에의해액적크기가증가하여상대적으로

큰

AMD

^{분포를나타내고있다}

.

^전체평균

SMD

^는선

회각이증가함에따라감소하는경향을나타냈으며선 회각

0

^o와

90

^o의

3.5

μ

m

의차이를나타내고있다

.

이러

한경향은선회각

90°

일때

AMD

가액적의합착에의

해증가하였지만

AMD

^{에서볼수없던큰액적들이다}

른선회각에비해서적게분포하여가장작은

SMD

분

포를나타내고있다

.

4. 결 론

이중공기공급 구조를가지는

2-

유체선회노즐의선

회각변화에따른분무이미지를획득하고

, PDA

를이

용한액적크기를측정한결과다음과같은결론을얻 을수있었다

.

PWM(pulse-width modulation)

제어방식에의해액체 가간헐적으로공급되고이송공기가연속적으로공급되

는경우분무중심부는

PWM

^{모드의주기}

(Hz)

^와부하

(duty)

에영향을받아매우불규칙적인수형구조를형성

하고있으며불균일한수밀도분포를형성한다

.

축방향 거리변화에따른액적크기변화고찰로부터

Z/d

ⁿ

< 50

^에

서액적분열이매우활발히일어나선회유동효과가지 배적인영역임을알수있었다

.

따라서선회각 변화는 분무의미립화특성에많은영향을끼치며

,

^{선회각이증}

가할수록

SMD

는감소하는경향을보임을확인하였다

.

그러나선회각이증가함에따라분무의미립화가촉진 되어액적크기분포가넓어지는경향을보인다

.

이중공기공급

2-

유체노즐은이송공기와보조공기의 비그리고전체공기와액체질량유량비가매우 중요한 변수로서이에대한미립화특성이 추가적으로조사될 경우노즐개발 자료로활용될수있는보다유익한결 과를얻을수있을것이다

.

후 기

본연구는지역혁신인력양성사업과중기거점기술개 발사업에의한지원을받아수행되었습니다

.

관계자여 러분께감사드립니다

.

참고문헌

(1) C. P. Mao and V. Oechsle, “Drop Size Distribution and Air Velocity Measurements in Air Assist Swirl Atom- izer Sprays”, Transactions of the ASME, Vol. 109, 1987, pp. 64~69.

Fig. 11 Overall mean AMD at various swirl angle

Fig. 12 Overall mean SMD at various swirl angle

(2) B. J. Rho, S. J. Kang and J. H. Oh, “Swirl Effect on the Spray Characteristics of a Twin-Fluid Jet”, KSME International Journal, Vol. 12, No. 5, 1998, pp. 899~906.

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(4) K. J. Lee, J. H. Oh, S. J. Kang and B. J. Rho, “A Study on the Turbulence Characteristics of a Swirl Jet Noz- zle”, Spring Conference Proceeding of KSAE, Vol. 1, 1995, pp. 245~250.

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