과열도가 감압비등 분무에 미치는 영향에 관한 연구

강동현 경남대학교 대학원 2023 국내석사

감압비등 분무란 분사온도에 해당하는 포화압력보다 대기압력이 낮거나 혹은 대기압력에 해당하는 포화온도보다 분사온도가 높을 때 발생하는 미립화의 한 종류로서 스크램젯, 액체로켓, 내연기관 등과 같이 현대공학시스템에서 흔히 접할 수 있다. 이러한 감압비등을 지배하는 물리적 현상으로는 미세 기포핵 성장으로 알려져 있으며, 기포핵 크기 및 생성 위치에 따라 분무특성이 달라진다. 이는 곧 연소 효율 및 유해가스 감소와 직접적인 연관이 있기 때문에 기포핵과 감압비등의 관계에 대한 이해와 분무특성에 영향을 미치는 변수를 파악하는 것이 중요하다. 기포핵의 성장은 과열도로 나타낼 수 있으며, 현재 과열도에 따른 기포핵 생성 및 성장과 이로 인한 감압비등 분무 형상 변화를 나타내기 위해 많은 연구들이 진행되었다. 선행연구에서는 감압비등 분무를 정의할 때 대기압력만을 고려하였다. 하지만 내부감압비등의 경우, 기포핵이 노즐 내부에서 생성되기 때문에 노즐 내부 압력을 고려하는 것이 적합하다고 추측된다. 따라서 본 논문에서는 대기압력을 고려한 과열도와 노즐내부압력을 고려한 과열도 둘 다를 고려하여 과열도가 감압비등 분무에 미치는 영향에 관한 연구를 진행하였다. 감압비등 분무구현을 위해 진공챔버, 인젝터, 노즐 등을 설계 및 제작하였고, 고속 역광 이미징을 이용하여 감압비등 분무를 관찰하였다. 분무형상은 분열정도에 따라 다양한 형상으로 분무되는 것을 관찰할 수 있었으며 기계적분열(Mechanical Breakup)부터 외부감압비등(External Flash Boiling), 내부감압비등1(Internal Flash Boiling1), 내부감압비등2(Internal Flash Boiling2)로 분열하였다. 종모양으로 분무되는 완전감압비등은 관찰하지 못하였는데, 이는 기포핵이 완전히 성장하기에는 과열도 값이 현저히 낮았기 때문으로 추측되며, 과열도를 증가시키면 완전 미립화인 완전감압비등 또한 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 분열정도에 따라 구분한 분무형상과 실험데이터를 바탕으로 선행연구에서 제시한 분열기준 부합여부를 판단하였을 때, 대체적으로 부합하지 못하는 것을 확인하였다. 이는 데이터 계산 과정에서 발생한 오차와 더불어 선행연구와 본 연구의 분열기준이 일치하지 않기 때문에 발생한 것으로 추측된다. Flash boiling spray is a type of atomization that occurs when the atmospheric pressure is lower than the saturation pressure or higher than the saturation temperature, which is common in modern engineering systems such as scramjet, liquid rocket, and internal combustion engine. The physical phenomena that dominate this flash boiling are known as microbubble nucleus growth, and spray characteristics vary depending on the size and generation location of the bubble nucleus. Since this is directly related to combustion efficiency and reduction of harmful gases, it is important to understand the relationship between bubble nuclei and decompression ratios and to identify variables that affect spray characteristics. Growth of bubble nuclei can be indicated by the degree of overheating, and many studies have been conducted to indicate the generation and growth of bubble nuclei according to the degree of overheating and the resulting changes in spray shape, such as flash boiling. In previous studies, only atmospheric pressure was considered when defining flash boiling spray. However, in the case of internal flash boiling, it is assumed that it is appropriate to consider the pressure inside the nozzle because the bubble nucleus is generated inside the nozzle. Therefore, in this paper, the effect of superheat on flash boiling spray was studied by considering both the superheat considering atmospheric pressure and the internal pressure of the nozzle. Vacuum chambers, injectors, and nozzles were designed and manufactured to implement flash boiling spray, and flash boiling spray was observed using high-speed backlight imaging. It was observed that the spray shape was sprayed into various shapes according to the degree of division, and it was divided into mechanical breakups, external flash boiling, internal flash boiling 1, and internal flash boiling 2. The complete flash boiling sprayed in the shape of a bell was not observed, which is presumed to be because the superheat value was significantly low for the bubble core to fully grow, and it is expected that the complete flash boiling, which is completely atomized, can be implemented by increasing the superheat. Based on the spray shape and experimental data classified according to the degree of division, when determining whether the division criteria proposed in previous studies were met, it was generally confirmed that they were not met. This is thought to have occurred due to the calculation error of this study, and at the same time, it is estimated that it was caused by the mismatch between the previous study and the classification.

투명노즐을 사용한 감압비등 내부유동측정

차현우 경남대학교 대학원 2023 국내석사

감압 비등은 대기압력의 끓는점보다 높은 온도로 분사될 때, 상변화에 의한 분열이 일어나는 것을 말하며 액체로켓엔진, 재생냉각에 의한 고온 유체연료의 분사, GDI엔진, 헤어스프레이 캔 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 액체의 상변화에 의한 팽창을 이용하여 분열하기 때문에 낮은 압력으로도 미세하고 고른액적을 얻을 수 있는 장점이 있으나 이를 제어하는데 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 투명노즐을 이용하여 내부유동의 가시화를 통해 감압비등의 특성을 파악하여 단점을 보완하고자 하였다. 투명노즐의 제작을 위해 선행연구를 참고하여 고온 분사에 적합한 재질로 유리를 선정하였고 2D 노즐과 원통형 유리 형태로 만든 원형 노즐로 나누어 가실험을 진행하였다. 가실험에서의 단점을 보완하여 석영 재질에 레이저 드릴링 기법을 이용해 직경 500 μm, 길이 4mm의 투명 노즐을 제작하였다. 실험장치를 이용하여 분사 시 고속카메라와 광원 램프를 이용하여 역광이미지를 300장 정도 촬영하여 후처리를 진행하였다. 실험을 통하여 과열도에 따른 분무 형상 변화를 관찰하였지만 실험을 진행할수록 물줄기의 표면이 거칠게 분사되었다. 현미경을 이용하여 투명 노즐 미세홀 입출구 근처에 원인으로 생각되는 이물질 테두리를 관찰하였다. 표면 조도에 의한 원인으로 생각되어 투명노즐을 반복 사용한 uLD와 여분의 노즐인 LD로 나누어 비교 분석 하였고 두 노즐의 분무 실험에서 과열도가 증가할수록 내부에서 기포핵이 생성되어 내부감압비등에서 완전감압비등으로 성장하는 과정을 관찰 할 수 있었다. 하지만 표면 조도에 의해 LD노즐의 내부에서는 소수의 큰 기포핵이 생성되어 나뭇가지 모양의 형태를 띄었고 uLD 노즐에서는 LD보다 이른 온도에서 내부감압비등으로 보이는 지그재그 형태의 외부 형상과 내부에서 다수의 작은 기포핵이 생성되는 차이점을 보였다. 이러한 외부유동과 내부유동의 관찰을 통해 과열도와 표면 조도가 분무 형상에 큰 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. Flash boiling is used in various fields such as liquid rocket engine, injection of high-temperature fluid fuel by renewable cooling, GDI engine, and hair spray can when injected at a temperature higher than the boiling point of atmospheric pressure. Since it is divided by using the expansion due to the phase change of the liquid, it is possible to obtain fine and uniform droplets even at low pressure, but it is difficult to control it. This study attempted to compensate for the shortcomings by grasping the characteristics of the decompression ratio through visualization of the internal flow using a transparent nozzle. For the production of transparent nozzles, glass was selected as a material suitable for high-temperature spraying by referring to previous studies, and an experiment was conducted by dividing it into a 2D nozzle and a circular nozzle made in the form of cylindrical glass. To compensate for the shortcomings of the experiment, a transparent nozzle with a diameter of 500 μm and a length of 4 mm was manufactured using a laser drilling technique on quartz material. When spraying using an experimental device, about 300 backlight images were photographed using a high-speed camera and a light source lamp, and post-treatment was performed. Through the experiment, the change in spray shape according to the degree of overheating was observed, but as the experiment progressed, the surface of the water stream was sprayed roughly. The foreign body frame thought to be the cause was observed near the entrance and exit of the transparent nozzle microhole using a microscope. It was analyzed by dividing transparent nozzles into uLD and LD, which are extra nozzles, because it was thought to be caused by surface roughness. In the spray experiment of the two nozzles, bubble nuclei were generated inside as the overheating increased and grew from internal decompression ratio to complete decompression ratio. However, a small number of large bubble nuclei were generated inside the LD nozzle, resulting in a branch-like shape, and the uLD nozzle showed a difference between the external shape of zigzag, which appears to be an internal decompression ratio, and a large number of bubble nuclei inside. Through the observation of these external and internal flows, it was confirmed that overheating and surface roughness had a significant effect on the spray shape.

대류 유동으로 수직 분사된 감압비등 와류 분무의 미립화 특성

이해천 연세대학교 대학원 2011 국내석사

減壓沸騰による液體の微粒化に關する 硏究

이충원 東北大學 1982 해외박사

가압하여 가열한 액체를 액체온도의 포화압력 이하로 급감압하면, 과열상태로 되어 있던 액체는 액체중의 기포가 급성장하여 순간적으로 분열한다. 이와같은 현상을 flas hing현상이라 하며, boiler의 배관의 파손시에 볼 수 있다. 공간에 분출된 이상분류가 분열하는 현상은 액체미립화의 한 방법으로 주목되어, 몇몇 연구자들에 의하여 기포의 성장과정, 분사조건등의 기본적 분열기구에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 미립화 법으로써 이용하기 위하여서는 노즐형상, 치수, 재질 등에, 분사압력, 액체온도등을 광범위하게 변화시킨 경우의 기포생성, 성장과정, 분열기구의 특징을 명확히 할 필요 가 있으며, 이것을 기본으로, 요구되는 미립화특성을 주는 분사 노즐을 설계하는 것이 좋다. 따라서, 본연구에서는 가장 단순한 단공노즐을 제작하여, 단공노즐의 크기, 형 상, 재질 및 분사조건에 따른 분무특성 즉, 평균입경, 입도분포, 분무각, 분무분산 등 을 조사하여 감압비등에 의한 미립화기구부터 미립화특성까지를 광범위한 실험을 통하 여 명확히함을 목적으로 하였다. 이 실험결과를 나열하면 다음과 같다. 1. 액체의 분 열현상은 액체내부, 노즐내벽 및 분류표면으로부터의 기포의 생성, 성장 및 분열의 조 합으로 이루어지며,노즐의 크기, 분사조건에 따라 분류된다. 2. 분류내부에서 생성된 기포는 처음에는 구상으로 성장하지만, 액주경을 초과하면, 변경방향의 성정속도가 증 가하여 분열한다. 3. 노즐길이가 짧은 경우에는 과열도가 클 경우에 미립화되며, 노즐 출구에서 액주부와 분열부로 나누어져 분열되며, 긴 경우에는 노즐내부에서 생성된 기 포가 노즐을 떠나자마자 분열된다. 4. 동일한 분사압력에서는 액체온도가 클수록, 동 일온도에서는 분사압력이 낮을수록 활발히 분열되며, 평균입경도 작아진다. 5. 분사온 도 및 분사압력이 같은 경우 노즐길이가 긴쪽이 평균입경이 작아지며, 과열도가 클수 록 입도분포는 균일성이 높아진다.

혼합물의 핵 비등 현상을 고려한 압력 용기 내 감압 과정 수치 모델 연구

박아민 서울대학교 대학원 2017 국내석사

해양플랜트 공정 내의 압력 용기는 화재 발생, 밸브의 오작동 등에 의해 용기가 견딜 수 있는 압력을 초과하는 과압 문제에 직면한다. 과압이 지속되면 압력 용기가 파손되어 용기 내부의 가연성의 유체가 유출되고 전체 공정 설비에 큰 타격을 입히는 사고가 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 급격한 감압 과정을 실시함으로써 공정 설비를 보호한다. 감압 과정은 압력 용기 내의 유체 팽창과 함께 에너지 손실에 의한 유체의 온도 감소로 이어지고, 이는 유체와 맞닿는 벽면의 온도 감소를 야기한다. 벽면의 온도가 크게 감소하면 압력 용기 재질의 특성을 연성에서 취성으로 변화하고, 이에 의해 압력 용기는 작은 충격에도 용기가 파손될 수 있다. 이를 방지하기 위해 감압 과정 중, 용기 내부 유체 및 용기 벽면의 온도가 어떻게 변화하는지 설계 단계에서 시뮬레이션을 수행하는 저온 해석을 실시하여 실제 압력 용기를 제작할 때 이를 반영한다. 본 연구에서는 보다 정확한 저온 해석을 위한 감압 과정 수치 모델을 제시하였다. 감압 과정 수치 모델을 비교적 현실적으로 구현하기 위하여 압력 용기 내부의 액체의 끓는점과 이와 맞닿는 벽면 사이의 온도 차이에 의해 내부 액체가 끓으면서 발생하는 핵 비등(Nucleate Boiling) 현상을 고려하여 액체와 벽면 간 열 전달 모델을 구현하였다. 또한, 관 내의 다상(Multiphase) 유동의 음속 계산 기법을 적용하여 배출 유량 계산 모듈을 구현하였다. 이러한 모듈을 포함하여 감압 과정 중 시간에 따른 압력 용기 내부의 압력 및 내부 유체와 그와 맞닿는 벽면의 온도 변화를 계산하는 감압 과정 수치 모델의 전체 알고리즘을 제시하였다. 이 수치 모델의 시뮬레이션 결과의 검증을 위해 선행 연구의 시뮬레이션 결과와 상용 소프트웨어의 결과 그리고 실험 결과와 비교하였다. A pressure vessel in offshore operation faces overpressure problems due to fire, malfunction of valves and etc. Under overpressure, the pressure vessel could be ruptured, flammable fluid could leak out from the vessel and the entire process equipment could be seriously damaged. To prevent these accidents, the process equipment is protected by carrying out a rapid depressurization process. The depressurization process leads to a reduction of the temperature of fluid due to the energy loss, which causes a temperature reduction of the wall surface contacted with the fluid. When the temperature of the wall greatly decreases, the characteristics of the material of the pressure vessel are changed from ductility to brittleness, the pressure vessel could be broken even with a small impact. To prevent it, it is reflected in the production of pressure vessel by performing low temperature analysis to simulate how the temperature of the fluid inside the vessel and the wall change during depressurization. In the study, numerical model of depressurization process was presented for more accurate low temperature analysis. For a relatively realistic numerical model, a liquid-to-wall heat transfer model was implemented considering the nucleate boiling phenomenon caused by the internal liquid boiling due to the temperature difference between the bubble point of liquid and the wall. In addition, discharged flow rate calculation module was implemented by applying the sound speed calculation technique of the multiphase flow in a pipe. Finally, a total numerical algorithm of depressurization process numerical model was developed to calculate pressure change in the vessel, internal fluid and the wall contacted with the fluid over depressurization. To verify the simulation results of the model, they were compared with the simulation results of previous studies, commercial software results and experimental data.