Spray Patterns and Atomization Characteristics of Viscoelastic Fluid with Impinging Jet

점탄성 유체에 따른 충돌분무의 분무패턴 및 미립화 특성

이문희^*ㆍ홍정구^†

Spray Patterns and Atomization Characteristics of Viscoelastic Fluid with Impinging Jet

Mun Hee Lee and Jung Goo Hong

Key Words: Viscoelastic fluid(점탄성 유체), Impinging jet(충돌 분무), Flow visualization(유동 가시화), Spray pattern (분무패턴), SMD(평균액적직경)

Abstract

Viscoelastic fluid is used in various industrial sites because its cost reduction and environmental benefits by preventing for- mation of fine droplets that scattered around. However, viscoelastic fluids, unlike newtonian fluids, contain a shear thinning characteristic that decrease in viscosity as shear rate increases and elastic characteristic, making it difficult to predict spray breakup process. In this study we made three test fluids. Boger fluid with viscoelastic characteristics, and two newtonian flu- ids, were prepared to exclude shear thinning characteristics and study the effects of elastic characteristic only. Flow visual- ization, spray angle, and SMD were measured for three test fluids using laboratory scale impinging jet test apparatus. As a result, it was confirmed that Boger fluid, unlike the newtonian fluid, was not formed fine droplets that scattered around and the breakup process appeared differently. In addition, SMD was found to be large in Boger fluid, and the SMD according to pressure was confirmed that there is no significant difference.

1. 서 론

유체에 소량의 고분자를 첨가하면 유체는 점탄성적 특성 또는 유변학적 특성을 가지게 된다. 점탄성 유체 (Viscoelastic fluid)는 액체의 점성과 고체의 탄성이 동시 에 발현되는 복합 물질(Complex material)로서, 분무 시 주변으로 비산되는 액적들의 형성을 막아 비용 절감 및 환경오염을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이에 표류할 수 있는 미세 액적의 형성 및 잠재적 방출을 최소화하 여⁽¹⁾분무 도포, 의약품 제조, 항공기 젤 추진제 등 다양

한 산업에 적용되어 사용하고 있다^(2~7).

뉴턴 유체를 사용한 분무 및 미립화에 관한 실험적 연구는 많이 진행되어 있는 반면, 점탄성 유체에 관한 실험적 연구는 뉴턴 유체를 사용한 실험적 연구에 비해 상대적으로 미흡한 실정이다. 유동만 일어나는 뉴턴 유 체와 다르게 점탄성 유체는 유동과 변형이 혼재되어 발 현되므로, 일반적인 물질에 비해 유체 거동을 파악하기 어렵다. 또한 점탄성 유체는 비뉴턴 유체로서, 전단응력 과 변형률이 비선형적인 관계를 가지기 때문에 유체의 거동을 Navier-Stokes 방정식에 기초하여 설명할 수 없 다. 점탄성 유체에 첨가된 고분자의 첨가 및 분자량에 따라 유체의 점성과 탄성이 변화하기에 뉴턴 유체와 달 리 분무 분열 메커니즘(Mechanism)에 관한 실험적 연구 가 필수적이다⁽²⁾.

M. Ochowiak 등은 Effervescent 노즐을 사용하여 점 탄성 유체의 미립화 실험을 진행하였다. 스프레이의 발

(Received: 29 Aug 2019, Received in revised form: 18 Sep

2019, Accepted: 19 Sep 2019)

* 경북대학교 기계공학과

† 책임저자, 회원, 경북대학교 기계공학과 E-mail : [email protected]

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

달 과정은 뉴턴 유체와 달리 여러 단계를 거치고, 평균 액적직경(Sauter Mean Diameter, SMD)은 점탄성 유체 에 추가된 고분자의 분자량 및 유변학적 또는 점탄성적 특성에 영향을 받는다고 보고하였다⁽¹⁾. J. C. Thompson 등은 Flat-fan, Hollow cone 노즐을 사용하여 분무 및 미 립화에 관한 실험을 진행하였다. 점탄성 특성의 추가는 유체 림(Rim) 구조를 안정화시키는 동시에, 유체 시트 (Sheet) 구조를 불안정화 시키는 것을 확인하였다. 또한 점탄성 특성이 증가함에 따라 평균액적직경이 증가할 것으로 예상된다고 주장하였지만, 구체적인 평균액적직 경에 대해서는 정량적으로 제시하지 못했다⁽⁶⁾.

한편, 다양한 노즐에서의 비뉴턴 유체에 대한 실험적 연구들 중 2개 이상의 인젝터(Injector)에서 분사된 유체 를 충돌시켜 미립화하는 충돌 분무법은 다양한 종류의 연소기 및 추진체 등에 활용되고 있다. 특히 점탄성 유 체 특성을 가지는 젤(Gel) 추진제는 성능 측면에 있어서 높은 에너지 밀도와 비추력 특성을 지니며, 밀도 추력은 금속 첨가제와 그 하중에 따라 액체 추진제와 비교하여 현저하게 증가하여 높은 발열량을 얻을 수 있다⁽²⁾는 장 점을 가지고 있어 많은 연구자들에 의해 실험적 연구가 진행되어 왔다.

M. Negri⁽⁸⁾는 고분자 구조에 따른 영향을 살펴보기 위해 점탄성 유체를 제조하고 충돌 분무 실험을 진행하 였고, 레이놀즈 수에 따른 분열 과정을 확인하였다. 또 한 점탄성 유체에서의 탄성만의 영향을 알아보기 위해 일정한 점성을 가지는 탄성 유체인 Boger fluid를 사용 하여 실험적 연구를 진행하였다. 그 결과로 신장 점도가 높을수록 액적으로 분열되지 않고 액사 구조를 가지며 분열된다고 보고하였다. Koo 등^(9~10)은 Corbopol 940, Carbopol 941 등 젤화 작용제를 이용하여 비뉴턴 젤 모 사 추진제를 만들어 충돌 및 핀틀(Pintle) 인젝터에서의 분무 및 미립화 특성을 연구하였다. 그러나 젤화 작용제 를 이용한 젤 모사 추진제는 전단율이 증가함에 따라

전단 점성이 감소하는 전단 박화 특성과 탄성 특성이 혼재되어 있어 어느 특성이 지배적인 영향 미쳤는지 확 인하기 어렵다.

이에 본 연구에서는 비뉴턴 유체에서 전단 박화 특성 을 배제하고 탄성만의 영향을 살펴보기 위해 Boger fluid와 점탄성 유체와 전단 점성이 동일한 뉴턴 유체를 사용하여 실험실 규모의 충돌 분무 실험 장치에서의 유동 가시화 및 평균액적직경을 측정하여 유체의 탄성이 분무 및 미립화에 미치는 영향에 대하여 확인하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 조건 및 실험 노즐

분무 실험은 25^oC의 상온, 대기압 조건에서 진행되었 으며, Table 1은 본 실험에서 사용된 유체의 물성치를 나타내는 표이다. 실험에 사용된 유체는 총 3가지로서, M. Negri⁽⁸⁾의 선행 연구를 참고하여 유체를 제조하였다.

NF는 뉴턴 유체를 나타내며, BF는 Boger fluid를 나타 낸다. NF1은 100% 증류수이며, NF2는 55%의 증류수와 45%의 글리세롤을 혼합하여 만든 유체이다. BF는 증류 수와 글리세롤을 혼합한 용액에 Polyethylene oxide 고 분자를 첨가하였고, 자력 교반기(MS200)을 이용하여 실 험 유체를 제조하였다. 자력 교반기를 이용한 혼합과정 에서 가열 기능은 꺼진 상태로, 고분자 사슬의 분열을 최소화하기 위해 약 20 rpm으로 혼합하였다. Table 1에 서 각 유체간의 밀도와 표면장력은 큰 차이가 없으며, 전 단 점성(Shear viscosity)과 완화시간(Relaxation time)에 서 차이가 있다. NF2와 BF는 NF1에 비해 전단 점성이 각각 4.37, 4.5배 차이가 난다. 완화시간은 점탄성 유체 의 탄성을 나타내는 척도로서 본 실험에서는 BF에서만 완화시간이 확인되었다. Table 1에서 얻은 물성치를 통 하여 웨버 수(Weber number) 및 탄성 수(Elasticity num-

Table 1 Test fluid conditions⁽⁸⁾ Fluid Composition Density

(ρ) (kg/m³)

Shear viscosity (η) (Pa·s)

Relaxation time (λ) (ms)

Surface tension (σ) (N/m)

NF1 Distilled water 100 wt% 1000 0.001 0 0.072

NF2 Distilled water 55 wt%

+ Glycerol 45wt% 1087 0.0045 0 0.071

BF

Distilled water 59.95 wt% + Glycerol 40 wt% + PEO 1000 kg/mol 0.05 wt%

1100 0.00437 2.4 0.07

ber)를 계산하였다.

(1)

(2)

식 (1)은 웨버 수로서 ρ는 밀도, v는 분사 속도, d는 직경, σ는 표면 장력을 나타낸다. 웨버 수는 관성력과 표면장력의 상대적인 크기를 나타내는 무차원수이다⁽¹¹⁾. 식 (2)는 탄성 수로서 η는 전단 점성, λ는 완화시간, R 은 노즐의 반경이며, 탄성 수는 유체의 속도와 독립적이 며, 실험 유체의 탄성과 기하학적 구조에만 의존하는 무 차원수이다⁽⁸⁾.

2.2 실험 장치

Figure 1은 점탄성 유체의 분무특성을 확인하기 위한 실험실 규모의 충돌 분무장치이다. 충돌 분무를 위해 사 용된 노즐은 직경이 1 mm, 챔버의 길이는 4 mm로 길 이 대 직경비(Length to diameter)는 4로 제작되었다. 유 체의 공급은 유체 탱크에 있는 유체를 마이크로 기어 펌 프(Micro gear pump, WT3000-1JA)를 이용하여 공급하였 으며, 노즐 전단의 압력계를 통하여 압력을 측정하였다.

유동 가시화를 위해 초고속 카메라(Phantom Miro ex4, Maximum resolution:1280X1024, Sample rate: 900fps)와 광원으로 Stroboscope를 사용하였고, 노즐로부터 60 mm 하류까지 가시화하였다. 한 실험 당 100개 이상의 이미 지가 분석되었으며, 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다. 노즐로부터 분사되는 액적의 크 기(Sauter mean diameter, SMD)는 레이저 회절(laser dif- fraction) 원리를 이용하였으며, 레이저(MLXA-A12-635-

5), CCD(EPIX CMOS camera)로 구성된 장치를 이용하 여 측정하였다. 평균액적직경 측정은 분열이 충분히 이 루어진 노즐 팁(Tip)으로부터 250 mm 분무하류에서 분 무선단 방향으로 레이저에 의해 산란된 액적 크기 정보 를 수광부(Detector)에 수신하여 평균액적직경을 획득하 였다^(12,13).

Figure 2는 유동 가시화의 측정 방향에 대한 개략도로 서, 노즐 사이의 충돌 각도(Impingement angle)는 90°, 충돌 전 길이(Pre-impingement length)는 20 mm로 고정 한 채, 분무 실험을 진행하였다. Front view, Side view 에서의 유동 가시화를 통해, Front view에서는 분무각을 측정하였고, Side view에서는 분무패턴을 확인하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 분무이미지

Figure 3은 NF1의 분무 이미지로서, 속도에 따라 특 징적인 4가지 분무패턴을 확인하였다. Fig. 3(a)는 분사 속도가 약 2~2.5 m/s이며, Liquid chain 구조를 관찰하였 고, 분사 속도가 증가함에 따라 Fig. 3(b)에서와 같이 시 트와 림을 가지는 Closed rim 구조가 나타났다. 이 후, 분사속도가 증가함에 따라 Fig. 3(c)와 같은 Rim with drop separation 구조가 확인되며, 림은 불안정해지면서 림에서부터 액적이 분리되어 분열되는 현상을 관찰하였 다. 마지막으로 Fig. 3(d)의 No rim 구조는 약 9 m/s 이 상의 분사속도에서 확인하였으며, 충돌점에서 액적으로 의 분열을 확인하였다.

Figure 4는 NF2의 분무 이미지로서, NF1과는 다르게 점성이 증가함에 따라 추가적인 분무패턴을 확인하였다.

약 2.5~3 m/s 분사 속도에서 NF1에 비해 보다 뚜렷한

We ρv

d

--- σ

=

EI ηλ ρR

---

=

Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup

Fig. 2 Measuring direction of flow visualization

Liquid chain, Closed rim 구조를 확인하였으며, Fig. 4(b) Closed rim 구조에서, NF1과는 다르게 두 번째 시트와 림이 형성되는 것을 관찰하였다. 이후 분사 속도가 증가 함에 따라 NF1과 동일하게 림이 불안정해지면서 림에 서부터 액적이 분리되는 현상을 확인하였다. 그러나 추 가적으로 속도가 증가함에 따라 NF1과는 다르게 Fig. 4(d)의 Open rim 구조가 확인되었으며, 분사 속도가 약 7 m/s 이상 에서부터 Open rim 구조가 Fig. 4(e) Rim with drop separation 구조로 발달한 것을 관찰하였다. 이 후 약 10 m/s에서는 Fig. 4(f)와 같이 충돌점에서 액적으 로의 분열이 확인되었다.

Figure 5는 BF의 분무 이미지로서, NF1과 동일하게 Liquid chain, Closed rim, Rim with drop separation 구조 가 나타나는 것을 확인하였다. 그러나 분사 속도가 약 8.5 m/s 이상에서는 Fig. 4(d) Liquid web 패턴이 나타나 며, 이는 NF1, NF2와는 다르게 넓은 액막 구조를 가진

다. 또한 충돌점에서 액적으로의 분열이 관찰되지 않는 다. 이는 탄성이 추가된 유체가 액적으로의 분열을 지연 시키며, 불안정한 분무패턴을 안정화시키는 변수로 작 Fig. 3 Spray images of NF1

Fig. 4 Spray images of NF2

용하는 것으로 판단된다.

3.2 웨버 수에 따른 분무영역

본 실험을 통해 측정된 속도와 가시화한 결과로부터 탄성만의 영향을 고찰하기 위해 웨버 수 및 탄성 수 2 가지 무차원수를 이용하여 분무 영역을 구분하였다.

Fig. 6는 NF2와 BF의 웨버 수에 따른 유동영역을 나타 낸 그래프이다.

NF2의 탄성 수는 0이며, BF의 탄성 수는 약 0.038이 다. 탄성을 가지는 BF에서는 NF2와 공통적으로 나타나 는 분무패턴(Liquid chain, Closed rim, Rim with drop separation)이 발달하는 임계 웨버 수가 증가한다. NF2는 웨버 수가 증가함에 따라 최종적으로 액적으로 분열되 는 No rim의 구조를 가지나, BF는 액적으로 분열되지 않고 Liquid webs 구조를 가진다. 이는 탄성을 가진 유 체가 안정화하고 분무패턴의 발달을 지연시키는 것으로 판단된다.

Fig. 5 Spray images of BF

Fig. 6 Flow pattern diagram of NF2, BF

Fig. 7 Spray images of test fluid at similar velocity

3.3 실험 유체에 따른 분무각

Figure 7은 분사 속도 약 16 m/s에서 모든 실험 유체 의 분무 이미지이다. 분무각은 분무 이미지에서 충돌점 과 산란되는 액적들을 제외한 분무 경계의 최외각 선에 의해 형성된 각도로 정의하였다. Fig. 7(a), (b)는 NF1과 NF2의 분무 이미지이며, 점성이 증가함에 따라 분무 이 미지 및 분무각은 큰 차이가 없음(약 40°)을 확인하였다.

하지만 BF의 분무 이미지인 Fig. 7(c)로부터, 탄성이 있 는 BF에서는 Fig. 7(b)와 달리 액적으로의 분열이 관찰 되지 않는 것을 확인할 수 있으며, 분무각 또한 25°로 약 40°의 분무각을 가진 Fig. 7(a), (b)에 비해 약 15° 작 아진 것을 확인하였다. 또한 주변으로 비산되는 미세 액 적들이 관찰되지 않았다. 이는 탄성의 영향으로 액적으 로의 분열을 지연시키며, 보다 안정화된 시트구조를 가 져 분무각이 작아진 것이라 예상된다.

3.4 압력에 따른 SMD 차이

Figure 8은 실험 유체의 압력에 따른 평균액적직경을 나타낸 그래프이다. 모든 실험유체에서 분사 압력이 증 가할수록 평균액적크기가 감소한다.

분사 압력 전 구간에서 NF2는 NF1에 비해 평균액적 직경은 약 18% 증가하고, BF는 NF1에 비해 평균액적 크기 약 25% 증가하였다. 또한 BF는 NF2에 비해 평균 액적직경은 약 9% 증가한 것을 확인하였다. 평균액적직 경은 점성이 증가하고 탄성이 있는 유체에서 증가한다 는 것을 알 수 있다. 또한 탄성이 있는 BF에서는 NF1, NF2에 비해 압력에 따른 평균액적직경 기울기가 감소 하는 경향을 확인하였다. 이는 NF1, NF2와는 달리 탄성 의 추가로 인해 액적으로의 분열을 지연시켜 압력에 따 른 평균액적직경의 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 충돌 분무를 이용하여 점탄성 유체의 분무 및 미립화에 관한 실험을 진행하였다. 3가지 실험 유체 간의 유동 가시화를 통한 분무패턴 및 평균액적직 경을 실험적으로 획득하였으며, 탄성이 분무 및 미립화 특성에 미치는 영향에 대해 확인하였다.

(1) 유체 간의 점성, 탄성에 따라 상이한 분무패턴을 확인하였으며, 점성은 동일하지만 탄성이 추가된 유체 는 액적으로의 분열을 지연시키며 안정화하여 충돌점에 서 액적으로 분열이 일어나지 않는 것을 확인하였다.

(2) 탄성 수에 따라 분무패턴이 발달하는 임계 웨버수 가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 동일한 분사속도에 서 점성이 증가함에 따라 분무각은 큰 차이가 없으나, 탄성이 추가된 유체는 주변으로 비산되는 액적이 관찰 되지 않으며, 보다 안정화하여 분무각이 작아진다.

(3) 점성이 증가할수록 평균액적직경이 크며, 동일한 점성을 가진 유체에 탄성이 추가되면 평균 액적크기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 탄성이 추가된 유체에 서는 압력이 증가하더라도 평균액적직경의 변화는 크지 않음을 확인하였다.

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Fig. 8 SMD according to pressure of test fluid

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