분무 조건에 따른 기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무 특성
박구정
*
·이정호*
·이인규*
·윤영빈†
Spray Characteristics of Gas-Centered Swirl Coaxial Injectors according to Injection Conditions
Gujeong Park, Jungho Lee, Ingyu Lee and Youngbin Yoon
Key words: Gas-Centered Swirl Coaxial Injector(기체 중심 스월 동축형 분사기), Spray angle(분무각), Film thickness (액막 두께), Breakup length(분열 길이), Momentum flux ratio(운동량 플럭스 비)
Abstract
The spray characteristics of Gas-Centered Swirl Coaxial Injector was investigated that there were different characteristics with or without gas flow. As gas flow was accelerated, the momentum of gas was transferred to the momentum of liquid in the low liquid Reynolds number. Therefore, the axial velocity of liquid was increased and the measured value was smaller than without gas flow. However, in the high momentum flux ratio, the momentum transfer hardly occurred and the results had constant values. As the recess length was increased, the mixing area of gas and liquid also was increased, the results were decreased.
기호설명
dg : 기체 오리피스 지름 din : 액체 접선방향 유입구 지름 do : 액체 오리피스 지름 hgap : 초기 액막 두께 LR : 액체 오리피스 지름
: 액체 질량 유량
MR : 기체-액체 운동량 플럭스 비 ra : 분사기 출구에서의 에어코어 반지름 ro : 액체 오리피스 반지름
R : 평균 액체 액막 두께
t : 기체 축방향 속도 Ug : 액체 축방향 속도
Ula : 접선방향 유입구에서의 액체 속도 α : 분무각
∆P1 : 액체 분사 압력 µl : 액체 점성계수 ρg : 기체 밀도 ρl : 액체 밀도
1. 서 론
액체 로켓은 다양한 추진제를 사용하며 추진제 조합 에 따라 여러 종류의 분사기들이 사용되고 있다. 그 중 에서 기체-액체 분사기를 사용하는 대표적인 엔진으로 액체산소와 액체수소를 추진제로 사용하는 엔진과 예연 소기를 가지는 엔진이 있다. 기체-중심 스월 동축형 분 사기는 이 중 예연소기를 가지는 엔진에 주로 사용되고 m·
Recieved: 24 Sept. 2014, Recieved in revised form: 24 Dec.
2014, Accepted: 25 Dec. 2014)
*
서울대학교 기계항공공학부
†
책임저자, 회원, 서울대학교 기계항공공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (02)880-1904 FAX : (02)872-8032
있으며 이 엔진은 대부분 러시아 액체 로켓에서 사용되 고 있다. 대표적인 엔진으로 RD-170, RD-8등과 같은 엔 진이 있다. 실제로 이와 같은 엔진이 사용되기 시작된 것은 약 40년이 되었지만 이에 대한 학문적인 연구는 최근에서야 진행되고 있다. S. Danczyk 등은 기체-중심 스월 동축형 분사기에서 레이저를 광원으로 사용하여 분사기 내외부의 분무를 촬영하였으며 이를 통하여 분 무 특성을 파악하였다(1). S. A. Schumaker등은 Danczyk 와 비슷하게 레이저를 통한 내부 분무 촬영을 통하여 액막의 길이를 측정하였으며 이를 기체-액체 운동량 플 럭스 비와의 관계를 나타내었다(2). J. Im 등은 액체-중심 스월 동축형 분사기와 기체-중심 분사기의 분무 특성을 기체-액체 운동량 플럭스 비를 통하여 비교하였다(3). M.
Hong 등은 Laser Induced Fluorescence 기법을 통하여 기체-중심 동축형 분사기의 내부 액막 유동을 촬영하여 기체 속도에 따른 주파수를 측정하였다(4).
본 연구는 기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무 특 성을 알아보기 위하여 분무 조건에 따른 액막 두께, 분 열 길이, 분무각을 측정하였다. 기존 연구들은 액막 두 께를 측정하지 못한 한계가 있었기 때문에 본 연구를 통하여 기체가 액막 두께에 어떠한 영향을 영향을 주는 지 알아볼 수 있었으며 이와 함께 분열 길이와 분무각 이 어떻게 변화하는지 알아볼 수 있었다.
2. 실험 방법 및 조건
2.1 실험 방법
실험 장치 개략도는 Fig. 1과 같으며 실험유체로는 케 로신과 산화제 과잉 가스를 대신하여 각각 물과 공기를 사용하였다. 실험 유체인 물은 분사 압력과 질량 유량의 보정 곡선을 측정을 통하여 획득한 후 분사 압력을 통
하여 질량 유량을 조절하였으며 기체는 질량유량계와 레귤레이터르 사용하여 질량 유량을 조절하였다. 분사 기를 통하여 분사되는 물은 분사기 내부에서 액막 측정 장치를 지나면서 평균 액막 두께가 측정되고 분사기 외 부에서는 스트로보스코프와 카메라를 동기화하여 분무 사진을 촬영하였다.
평균 액막 두께는 전기 전도도를 이용한 방법을 통하 여 측정하였다(5). 이 방법은 물의 전기 전도도를 알고 있기 때문에 분사기 오리피스에서 2개의 전극을 설치하 여 전압을 측정하는 방식이다. 2개의 전극은 0.3 mm 두 께의 티타늄 판을 사용하였으며 두 개의 전극 사이에는 전기 저항도가 높은 아크릴 판을 삽입하여 전기가 통하 는 것을 방지하였다. 미립화의 과정에서 분사기 끝단에 서의 액막 두께를 측정하는 것이 중요하므로 액막 두께 측정 장치를 분사기 끝단에서 0.9 mm 떨어진 곳에 설 치하여 평균 액막 두께를 측정하였다.
또한 정확한 액막 두께를 측정하기 위해서는 전압과 액막 두께와의 관계를 찾는 것이 중요하다.
이를 위하여 액체 오리피스에 축 방향으로 오리피스 보다 작은 지름을 가진 아크릴 봉을 삽입하여 일정한 액막 두께를 만든 후 이때의 전압을 측정하였다. 아크릴 봉의 지름을 변화시켜 액막 두께와 전압의 관계를 얻은 후 이를 이용하여 실험에서 측정된 전압 데이터를 액막 두께로 변화하였다.
분무각과 분열 길이를 측정하기 위하여 외부 동기화 장치 없이 카메라와 스트로보스코브를 동기화하여 10 frame/sec의 속도로 분무 사진을 촬영하였다. 실험 조 건마다 20장의 분무 사진을 평균화 한 후 분무각을 측정 하였다. 분무각은 분사기 출구에서부터 액체 오리피스 지름의 2배되는 축방향 지점의 위치까지 액막이 이루는 각을 측정하였다. 분열 길이 또한 20장의 이미지로부터 분열 길이를 측정한 후 평균하여 데이터를 획득하였다.
2.2 실험 장치
실험에 사용된 분사기는 Fig. 2를 통하여 볼 수 있다.
Fig. 1 Experimental apparatus Fig. 2 Geometry of gas centered swirl coaxial injector
분사기의 가운데에 기체 오리피스가 위치하고 있으며 액체는 기체 오리피스의 외곽의 오리피스에 위치하고 있다. 기체는 제트 형태로 분사되고 있으며 액체는 4개 의 접선 방향 유입구를 통하여 유입된 후 스월 운동을 하면서 분사기로부터 분사된다. 기체 오리피스의 지름 은 6 mm, 액체 오리피스의 지름은 8 mm, 초기 액막 두 께를 결정하는 gap 두께는 0.5 mm, 접선 방향의 유입구 의 크기는 0.9 mm이며 리세스 길이는 6, 12, 18 mm로 변화시켰다.
2.3 실험 조건
실험 조건은 상압의 조건에서 Table 1과 같이 진행되 었다. 기체와 액체의 분무 조건을 변화시켜가며 실험을 하였으며 동축형 분사기에서 주요 변수로 사용되는 기 체-액체 운동량 플럭스 비와 기체-액체의 혼합 공간크기 를 나타내는 리세스 비를 실험 변수로 선택하여 실험을 진행하였다. 기체-액체 운동량 플럭스 비와 리세스 비의 정의는 식 (1)과 (2)를 통하여 각각 확인 할 수 있으며 기체-액체 운동량 플럭스 비에서는 액체의 축방향 속도 를 사용하였다.
(1)
(2)
3. 실험 결과
3.1 액막 두께
분사기 출구에서의 액막 두께는 액체의 미립화에 중 요한 영향을 미치는 요소로 알려져 있다. 따라서 액막 두께를 측정하는 것은 미립화 특성을 파악하기 위해서 는 중요하며 전기 전도도 방법으로 분무 조건에 따른 기 체-중심 스월 동축형 분사기의 액막 두께를 측정하였다.
단일 열림 형태 스월 분사기의 경우 Q. Fu 등이 제안 한 액막 두께의 경험식 식 (3)과 같이 액체 분사 압력이 증가함에 따라 액막 두께는 감소한다(6).
(3)
하지만 기체-중심 스월 동축형 분사기의 경우에는 기 체가 분사되지 않을 때, 액체 레이놀즈 수가 증가하더라 도 Fig. 3에서 점선으로 표시 된 것처럼 액막 두께는 감 소하지 않고 거의 일정하게 유지된다. 이것은 기체-중심 스월 동축형 분사기의 특성으로서 이 분사기의 기하학 적 변수인 gap 두께의 영향으로 인한 것이라 생각된다.
gap 두께의 액막이 분사기 출구에서 측정되는 것을 볼 수 있고 특히 리세스가 짧은 경우에는 gap 두께의 영향 이 큰 것을 확인 할 수 있다. 이러한 기하학적 변수인 gap 두께 때문에 액막 두께의 변화 또한 제한을 받게 되 지만 또 다른 기하학적 변수인 리세스 길이가 길어짐에 따라 액막 두께는 점점 증가하는 것을 볼 수 있다. 리세 스 수가 증가함에 따라 벽면과의 마찰력에 의하여 액체 의 속도는 감소되고 이에 따라 각 운동량 또한 감소하 게 되어 액체 액막은 두꺼워진다. 또한 리세스 길이가 길어짐에 따라 기하학적 형상이 단일 열림 형태 스월 분사기와 유사하게 변화함에 따라 기체-중심 분사기의 액막 두께는 점점 증가하여 단일 열림 형태 스월 분사 기의 액막 두께에 다가가는 것 또한 확인 할 수 있다.
기체가 분사됨에 따른 액막 두께의 변화는 Fig. 4에서 볼 수 있다. 기체 분사 조건에 따라서액막 두께는 변화 하게 된다. 낮은 액체 레이놀즈 수에서는 액막의 두께는 기체의 레이놀즈 수가 증가함에 따라 점점 얇아지게 된 다. 기체의 분사로 인하여 기체의 운동량이 액체에 전달 MR ρgUg
ρl⁄Ula2
---
=
RR LR
dg
---
=
t 3.1 domlµl
ρl∆Pl
---
⎝ ⎠
⎛ ⎞0.25
= Table 1 Experimental condition
Water Air Reynolds number 613~1507 0~55728 Momentum flux ratio 0~8.2
Gap thickness (mm) 0.5 Recess ratio 1, 2, 3
Fig. 3 Variation of film thickness without gas flow
되게 되고 이에 따라 액체의 축방향 속도는 증가하며 질량 보존에 따라서 액막은 줄어들게 된다. 측정된 액막 두께와 액체 질량 유량 관계를 통하여 계산된 액체 축 방향 속도는 Fig. 5에서 볼 수 있고 액체 액막 두께의 변화와 유사한 결과를 보이는 것을 알 수 있다.
하지만 액체 레이놀즈 수가 증가함에 따라 기체에 의하여 얇아지는 액막 두께의 변화량은 점점 줄어들
게 되고 높은 액체 레이놀즈 수에서는 액막 두께가 거의 변화지 않는 것을 확인 할 수 있다. 이는 액체 의 운동량이 커짐에 따라 기체로부터의 운동량 전달 은 줄어들게 되어 축방향 속도 또한 증가하지 못하는 것으로 판단되며 높은 액체 레이놀즈 수에서 축방향 속도가 동일한 것을 Fig. 5를 통해서도 확인 할 수 있 다. 이에 따라 액막의 두께는 일정하게 유지되는 것 이라 생각된다.
Fig. 4 Film thickness with different combination condi- tions
Fig. 5 Calculated liquid axial velocity
Fig. 6 Spray Angle with different combination conditions
3.2 분열 길이
Fig. 6은 backlight image method로부터 획득된 분무 조건에 따른 분무사진이다. 기체가 분사되지 않는 경우 에는 액체의 레이놀즈 수가 증가함에 따라 분무는 bell cone 형태에서 solid cone 형태로 변해가며 분열길이는 짧아지는 것을 확인 할 수 있다. 이것은 액체의 레이놀 즈 수가 커짐에 따라 분사된 액체의 속도는 증가하게 되고 주변 공기와의 상대속도가 커짐에 따라 액막의 분열이 잘 일어나기 때문인 것으로 판단된다. 기체가 분사되는 경우에는 동일한 액체 레이놀즈 수에서는 기 체가 분사됨에 따라 액막의 분열 길이는 짧아지게 되 지만 동일한 기체 레이놀즈 수에서는 액체의 레이놀즈 수가 커짐에 따라 분열이 잘 일어나지 않는 것을 확인 수 있다.
Fig. 7를 통하여 보다 분무 조건에 따른 분열길이를 쉽게 확인 할 수 있다. 앞에서 언급한 것처럼 기체가 분 사되지 않는 경우에는 액체의 레이놀즈 수가 증가함에 따라 분열 길이가 점점 짧아지는 것을 볼 수 있다. 기체 가 분사되는 경우에는 기체의 레이놀즈 수가 증가함에 따라 액체의 분열 길이는 점점 짧아지지만 액체의 레이 놀즈 수가 증가함에 따라 분열 길이가 감소하는 폭은 점점 작아진다. 이것은 액체의 레이놀즈 수가 커짐에 따 라 액체의 속도는 빨라지게 되고 이로 인하여 액체와 기체와의 운동량 차이는 작아지기 때문이다. 또한 앞선 액막 두께의 결과인 Fig. 4와 유사한 경향을 보이는 것 으로 볼 때 분열 길이는 분사기 출구에서의 액막 두께 에 영향을 받고 있는 것을 볼 수 있다.
3.3 분무각
분무각은 액적분포와 연소실 냉각 등에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 분무사진은 backlight photography 방법으로부터 얻을 수 있었고 분무각은 분사기 끝단에 서부터 분사기 액체 출구 지름의 2배되는 위치까지의 영역에서 측정하여 얻을 수 있었다.
측정된 분무각은 액체와 기체의 레이놀즈 수에 따라 Fig. 8과 같이 나타난다. 일반적으로 단일 열림형 스월 분사기의 경우 Fig 8의 dash-dot 선으로 표시된 것처럼 액체의 분사압력이 커짐에 따라 분무각은 증가하는 것 으로 알려져 있다(7). 단일 열림형 스월 분사기의 액막 두께 결과와 분무각 결과를 비교하면 액체 레이놀즈 수 가 증가함에 따라 액막 두께와 분무각은 반비례 하는 결과를 보였다. 이와 다르게 기체 중심 스월 동축형 분 사기의 경우, 기체가 분사되지 않는 경우에는 비록 액체 레이놀즈 수가 증가하더라도 분무각은 거의 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이 분사기의 경우 액막 두께 의 결과에서 확인한 것처럼 gap 두께의 영향으로 액막 은 일정하게 유지되고 있기 때문에 분무각 또한 일정한 값을 가진다.
질량 유량과 분사기 면적을 통하여 구한 액체 축방향 속도, 식 (4), 접선 방향의 속도, 식 (5)와 액막 두께와 분무각 결과를 통하여 얻어진 액체 축방향 속도와 접선 방향 속도, 식 (6)를 Fig. 9과 같이 비교해 보았다. 액체 의 축방향 속도는 gap 두께와 액막 두께가 차이가 없기 때문에 유사한 값을 보이는 것을 알 수 있지만 접선 방 향의 속도는 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 벽면 마찰과의 손실도 있겠지만 동축형 인젝터에서 나타나는
Fig. 7 Breakup Length with different combination condi-
tions Fig. 8 Spray Angle with different combination conditions
기하학적 변수인 gap 두께에 의해서 접선 방향 유입구 에서 유동이 방해를 받는 것이 접선방향 속도 감소의 주요 원인으로 생각된다.
(4)
(5)
(6)
기체가 분사되면 분열길이와 액막두께의 결과들과 유 사하게 분무각이 감소하는 것을 볼 수 있다. 분사각이 작아지는 것은 entrainment 효과가 영향을 미치는 것으 로 알려져 있다(3,8). 이 효과는 액체 분무의 안쪽에서 기 체가 빠르게 지나감에 따라 압력이 상대적으로 분무 바 깥쪽 압력보다 낮아지게 되어 분무가 수축하게 되는 것 을 말한다. 기체의 속도가 증가함에 따라 압력차는 증가 하게 되고 수 축하게 되는 현상은 커지게 된다. Fig. 6 의 MR=0에서 MR=1.33으로 증가할 때 출구에서 먼 쪽 의 분무형상을 통해 쉽게 확인 할 수 있지만 측정된 분 무각 자체는 거의 변하지 않는 것을 Fig. 8을 통하여 알 수 있다. 이런 결과는 분사기 출구 근처에서는 압력차에 의해 영향을 받는 액막의 영역이 작아 분무각이 변하지 않고 분사기 출구 먼 곳에서 압력의 영향을 받는 액막 의 영역이 넓어지면서 entrainment 효과에 의해 분무가 안쪽으로 모이는 모습을 보이는 것으로 설명될 수 있다.
하지만 액체의 레이놀즈 수가 증가함에 따라 분무각이 줄어드는 폭은 작아지게 되고 분무각의 변화는 없게 된
다. 액체의 레이놀즈 수가 증가함에 따라 액체의 축방향, 접선방향 속도가 모두 증가하지만 기체에서 액체로의 운동량 전달이 크지 않아 기체의 의한 축방향 속도 증 가는 거의 영향을 미치지 못하게 되고 entrainment 효과 또한 분열 길이가 짧아짐에 따라서 일어나지 않기 때문 에 분무각의 변화는 적게 된다.
3.4 리세스 길이
리세스는 동축형 분사기의 내부에서 두 추진제의 혼 합 영역을 생성시켜 추진제의 혼합을 높여주는 역할을 하며, 연소 시에는 화염이 리세스에 존재하여 안정한 화 염을 만드는 역할도 하지만 분사기 내부에 화염이 존재 하게 되면서 냉각 문제가 발생할 수 있는 가능성 또한 높아지게 된다.
리세스의 길이가 길어지게 되면 혼합 영역이 증가하 게 되고 이에 따라 기체와 액체의 접촉 면적은 넓어지 게 된다. 접촉 면적이 넓어지게 되면 기체와 액체의 운 동량 또한 전달할 수 있는 가능성이 커지기 때문에 액 체의 축방향 속도는 증가하게 될 것이다. 이에 따라 낮 은 리세스 비에서는 기체에 따라 크게 변화가 없던 액 막 두께, 분열 길이, 분무각이 리세스 비가 증가하면 기 체 레이놀즈 수에 따라 차이가 발생하게 된다. 이 차이 는 리세스 비가 증가함에 따라서 점점 커지게 되는 것 을 Fig. 10에서 볼 수 있다.
4. 결 론
기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무특성을 액막 두 ula m·l
ρlπt 2r( o–t) ---
=
W VinR ra
---
=
W u tanα ---2
=
Fig. 9 Calculated Velocity without gas flow Fig. 10 Breakup length with recess ratio at Rel=1507
께, 분열 길이, 분무각 측정을 통하여 알아보았다. 액체 와 기체의 분무 조건에 따라서 분무 특성은 변화하였다.
액막 두께는 전기 전도도를 이용한 방법으로 측정을 하 였으며 분열 길이와 분무각은 카메라와 스트로보스코프 를 동기화 하여 얻어진 이미지를 통하여 이미지 프로세 싱 과정으로부터 얻을 수 있었다.
1) 기체와 액체의 운동량에 따라서 분무의 변화는 발 생하였으며 운동량의 관계를 기체-액체 운동량 플럭스 비로 나타낼 수 있으며
2) 운동량 플럭스 비가 낮은 영역에서는 결과값의 변 화는 작았지만 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 결과 값이 감소하였다.
3) 결과값이 변화하기 시작하는 운동량 플럭스 비는 리세스 비가 증가함에 따라 점점 작아지는 것 또한 확 인 할 수 있었다.
4) 이것은 리세스가 증가함에 따라 혼합 영역이 증가 하기 때문에 기체에서 액체로 운동량 전달되는 영역 또 한 증가하게 되어 보다 낮은 운동량 플럭스 비에서 변 화가 일어난다.
후 기
본 연구는 서울대학교 차세대 우주추진 연구센터와 연계된 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행한 선도연구센터지원사업(NRF- 2013R1A5A1073861)의 연구 결과입니다.
참고문헌
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