고압환경에서 스월 인젝터의 분무 및 분열특성

김동준(Dongjun Kim),임지혁(Ji-Hyuk Im),길태옥(Taeok Khil),한풍규(Poonggyoo Han),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.7

분사조건과 주위기체 압력에 따라 스월 인젝터의 분무각과 분열길이를 측정함으로써, 스월 인젝터의 분무 및 분열특성에 대한 연구를 수행하였다. 분사조건으로 축방향 We 수(We₁)를 1554까지 주위기체 압력을 4.0㎫까지 증가시켰다 We₁과 주위기체 밀도(ρ)가 증가함에 따라 공기역학적 힘이 증가하여 원추형 액막 표면의 교란이 증가하게 되고, 따라서 분열이 빨리 일어난다. 결과에 따르면 주위 기체 밀도에 따른 분무각의 변화가 분열이 일어나기 전과 후가 다르게 나타났다. 분열이전에는 분무각이 주위기체 밀도 변화에 관계없이 거의 일정하였으나, 분열이 일어나게 되면 분무각이 감소하게 된다. 또한 측정된 분열길이를 선형불안정이론과 비교해 보았는데, 액막두께의 감쇠를 고려한 수정된 이론이 측정 결과와 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있었다. The spray and breakup characteristics of swirling liquid sheet were investigated by measuring the spray angle and breakup length as the axial Weber number We₁ was increased up to 1554 and the ambient gas pressure up to 4.0㎫. As We₁ and ambient gas density increased, the disturbances on the annular liquid sheet surface were amplified by the increase of the aerodynamic forces, and thus the liquid sheet disintegrated near from the injector exit. The measured spray angles according to the ambient gas density were different before and after the sheet breaks. Before the liquid sheet breaks, the spray angle was almost constant, but once the liquid sheet started to breakup, the spray angle decreased. And the breakup length decreased because of the increase of the aerodynamic force as the ambient gas density and We₁ increased. Lastly, the measured breakup length according to the ambient gas density and We₁ was compared with the result by the linear instability theory. We found that the corrected linear instability theory considering the attenuation of sheet thickness agrees well with our experimental results.

모형가스터빈 연소기에서 분무각 변화에 따른 연료농도 및 화염온도 분포

황진석(Jin-seok Hwang),변용우(Yong-Woo Byun),성홍계(Hong-Gye Seong),구자예(Ja-Ye Koo),강정식(Jeong-Sik Kang) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.10

KIVA3V를 이용하여 모형 가스터빈 연소기에서 Jet-A의 분무와 연소에 관한 수치해석을 하였다. 연소기 형상은 6개의 희석홀을 가지며, 스월효과를 고려하였다. 연소 특성을 해석하기 위해 열적 NO 발생을 고려하였다. 다양한 분무각에 대해서 Jet-A 증기, 화염온도 분포와 NO 발생량에 대하여 비교하였다. 분무각이 커질수록 1차 영역에서 연료 증기가 비교적 고르게 나타나게 되며 증발이 더욱 빠르게 되고, 주변 기체와 연료 증기 사이의 혼합이 증가한다. 그 결과 고온부가 넓게 나타나게 되고, 이에 의해 열적 NO 발생이 증가한다. Jet-A spray and combustion were numerically analyzed in annular type combustor model using KIVA3V. The combustor geometry have 6 dilute holes. Swirl effect and thermal NO were considered in this investigation to analyze mixing and combustion characteristics. Fuel vapor, flame temperature, NO generation were investigated for various spray angle. As increase of spray angle, Jet-A vapor appeared uniformly in primary zone and evaporation rate was increased. Mixing between fuel vapor and ambient gas was enhanced as increase of spray angle. As a result, high temperature region appeared widely and thermal NO generation rate was increased.

가스발생기용 동축 와류형 분사기에 대한 연구

윤원재(Wonjae Yoon),이봄(Bom Lee),안규복(Kyubok Ahn) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

액체로켓엔진 가스발생기에서 사용되는 동축 와류형 분사기의 분무특성에 대한 연구를 수행하기 위해 리세스 길이 및 분사기의 회전방향이 co-swirl과 counter-swirl로 다른 총 8개의 분사기를 제작하여 수류실험을 수행하였다. 본 연구는 가스발생기 분사기에서 유량비가 변할 때 이에 따른 분무특성이 어떻게 영향 받는지 알아보기 위해 수행되었으며 분사조건 및 리세스 길이에 따른 분무각, 유량계수의 변화를 연구하였다. 실험결과 단일분사일 경우 연소실용 분사기와 유사하게 분무각이나 유량계수 모두 리세스 길이, 스월 방향에 따른 영향이 없는 것으로 나타났지만 혼합분사일 경우 질량유량 비에 따라 분무각과 유량계수 모두 변하는 것을 관측할 수 있었다. In order to investigate the effects of recess length and swirl direction of the bi-swirl injector for the gas generator, eight bi-swirl injectors, which had different recess length and co-swirl/counter-swirl direction between inner close-type swirl and outer open-type swirl injector, were designed and manufactured. The spray angle and discharge coefficient of the bi-swirl injectors were investigated by changing the injection mode such as single injection and bi-injection. From the experimental data, it was found that the spray angle increased as the injection pressure increased during single injection regardless of recess length and swirl direction, similarly to the data of bi-swirl injectors for a thrust chamber. In the bi-injection’s case, the mass ratio of the inner swirl injector to the outer swirl injector affected the spray angle and discharge coefficient.

액체/액체 핀틀 분사기의 개도에 따른 분무특성 연구

윤원재(Wonjae Yoon),안종현(Jonghyeon Ahn),안규복(Kyubok Ahn),윤호성(Hosung Yoon) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.11

개도에 따른 핀틀 분사기의 분무특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 분사조건에 따른 핀틀 분사기의 유량계수를 확인하였으며, 분무 이미지 촬영을 통해 분무각을 측정하였다. 유량계수 측정 결과 바깥쪽 분사기는 실험조건에 걸쳐 유량계수 변화가 크지 않았지만 안쪽 분사기는 유량에 따른 유량계수 변화가 큰 것을 확인하였다. 분무각 측정결과 분무가 완전 발달되는 조건에서는 분무각의 변화가 크지 않았으나 낮은 유량에서 분무가 완전 발달되지 않는 경우가 있었다. 이를 통해 핀틀 분사기의 추력조절 가능성을 확인하였다. An experimental study was conducted on the spray characteristics of the pintle injector by opening distance. The discharge coefficient of the pintle injector was investigated and the spray angle was measured by taking the spray image by test conditions. As a result of the measurement of the discharge coefficient, it was confirmed that the change in the discharge coefficient of the outer injector was not significant over the experimental conditions, but the change in the discharge coefficient of the inner injector was decreased as the flow rate increased. Measurement of the spray angle showed that the change in the spray angle was not significant in the conditions under which the spray was fully developed, but the spray was not fully developed at low flow rates. This confirmed the possibility of thrust control using the pintle injector.

유동방향에 따른 동축 와류형 분사기의 분무특성 연구

윤원재(Wonjae Yoon),안규복(Kyubok Ahn),김현웅(Hyun Wung Kim),방정석(Jeong Seok Bang) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

유동 방향이 서로 반대인 동축 와류형 분사기에 대한 실험적인 연구를 수행했다. 일반적으로 액체로켓엔진에 사용되는 동축 와류형 분사기는 두 분사기가 같은 방향으로 회전하여 그에 따른 두 유체의 상호작용으로 인해 분무특성이 나타나게 된다. 이 연구에서는 서로 반대되는 유동방향이, 분무각과 유량계수와 같은 분무특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 역방향 동축 와류형 분사기를 설계, 제작한 뒤 수류실험을 진행했다. 분무각과 유량계수 모두 두 유체가 분사기 내부에서 혼합될 때 유동방향에 따른 영향을 받았다. 두 유체를 함께 분사하는 혼합분사에서, 내부 혼합영역에서 분무각은 O/F비의 증가 따라 크게 감소하였다. 유량계수 역시 O/F비가 증가함에 따라 바깥쪽 분사기의 유량계수가 단일 분사일때의 유량계수보다 감소함을 확인할 수 있었다. 이 결과를 통해 동축 와류형 분사기의 유동방향 역시 분무특성에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었다. An experimental study of bi-counter swirl injector was performed to investigate the spray characteristics such as spray angle and discharge coefficient in this study. Generally bi-swirl injector which is a special type injector for a liquid rocket engine is manufactured co-swirl direction but this study focused on the reverse flow direction of each swirl injectors. Both spray angle and discharge coefficient affected by the interaction of crashed two fluids in tip mixing and internal mixing region. Spray angle was greatly decreased in bi-injection as O/F ratio increase, and discharge coefficient of outer injector decreased by O/F ratio in tip and internal mixing region compared to solo injection. From the results, it was found that fluid direction was affected on the spray characteristics of bi-swirl injector.

가변 핀틀 인젝터에서 핀틀 팁 형상에 따른 분무특성 연구

남정수(Jeongsoo Nam),이건웅(Keonwoong Lee),박선정(Sunjung Park),허환일(Hwanil Huh),구자예(Jaye Koo) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.9

핀틀 인젝터를 사용하는 액체로켓개발에 있어서 분무특성인 분무각도, 액적크기, 액적의 분포정도는 중요한 요소이다. 세 종류의 다중 홀형 핀틀 팁과 연속형 핀틀 팁을 설계하여 분무실험을 수행하였다. 다중 홀형 인젝터에서 홀 개수에 따른 액적크기는 크게 차이가 없었으며, 홀 개수가 많을수록 액적이 균일하게 분포하였다. 연속형 핀틀은 다중 홀형 핀틀보다 액적의 미립화가 잘 이루어지고 공간내로 더 고르게 분산되는 것을 확인하였다. 핀틀의 액체분사면적조절을 통한 추력제어는 다중 홀형보다는 면 접촉 닫힘(face-shutoff)이 용이한 연속형 핀틀이 적합하다. 각 핀틀 팁의 TMR에 따른 분무각을 측정하여 특정한 경향성과 그에 해당하는 경험식을 도출하였다. In the development of the liquid rocket engine using the pintle injector, spray characteristics such as spray angle, droplet size, and distribution of the droplets are dominant parameters. Three different kind of multi hole type pintle tip and a continuous type pintle tip were designed. In the case of multi hole pintle tip, SMD result did not have a significant difference depending on the number of holes. In analysis with visualization images, however, the droplets were uniformly distributed as the number of holes increased. Liquid droplets from continuous type pintle tip were finely atomized and dispersed uniformly than those from multi-hole type pintle tip. In addition, the thrust control by adjusting the liquid injection area of the pintle is suitable for the continuous type, which is easier to face-shutoff rather than the multi hole type. The spray angle of each pintle tip according to TMR was measured to derive a specific tendency and corresponding empirical formula.

커먼레일 디젤 인젝터의 분사압력과 분위기압력에 따른 분무 특성

홍정구(Jung Goo Hong),구건우(Kun Woo Ku),김준희(Jun Hee Kim),이충원(Choong Won Lee) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 지부 학술대회 논문집 Vol.2012 No.4

본 연구에서는 디젤 인젝터의 거시적 분무특성을 실험적으로 알아 보았다. 커먼레일 디젤 인젝터의 본사를 위해 보쉬 커먼레일 시스템을 사용하였다. 본 연구를 위한 대상 인젝터는 6-hole 보쉬 디젤 인젝터였다. 다양한 분사 조건에서 디젤 인젝터의 거시적 분무특성인 분무도달거리 및 분무각을 측정하였다. 본 연구에 따르면, 인젝터의 분사압력이 높을수록 분무달거리는 증가 하였다. 또한 동일 분사압력에서 분사되는 곳의 분위기 압력이 증가 할수록 분무도달거리는 감소하였고, 분무각은 증가하였다. In this study, we conducted the experimental study to investigate the macroscopic spray characteristics with a CRDI injector. A Bosch common rail system has been equipped for this study. We used a Bosch injector with 6 holes for nozzle in this study. The spray tip penetration and sprat angle was measured with the various test conditions. According to this study, the spray tip penetration increased with increase of the injection pressure. Furthermore, as the ambient pressure increase, the spray tip penetration decreased and the spray angle increased although the injection pressure was same.

기체 중심 스월 동축형 분사기에서 갭 두께 변화에 따른 분무 특성 연구

박구정(Gujeong Park),이정호(Jungho Lee),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

기체 중심 스월 동축형 분사기에서 갭 두께의 변화에 따른 분무특성을 평균 액막 두께와 분무각을 통하여 파악하였다. 기체-액체 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 액막 두께와 분무각은 감소하는 경향을 보였다. 갭 두께가 증가했을 때 갭 공간에 액막이 가득히 차지 않는 경우가 발생하여 일정 두께 이상의 액막이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. The spray characteristics on gap thickness were investigated by the average film thickness and spray angle in the gas-centered swirl coaxial injectors. The film thickness and spray angle had generally decreasing tendency as the momentum flux ratio increased. although the gap thickness was large, the gap was not filled with water so that the film was not formed over certain thickness.

운동량 비 변화에 따른 기체 중심 스월 동축형 분사기의 분무 특성 변화

박구정(Gujeong Park),이정호(Jungho Lee),이인규(Inkyu Lee),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

기체 중심 스월 동축형 분사기에서 기체-액체 운동량 비에 따른 분무 특성을 파악하였다. 운동량비가 증가하면 기체의 운동량이 액체 운동량보다 커지게 되고 기체의 축 방향 운동량이 분무에 큰 영향을 미친다. 이에 따라 운동량 비가 커지면 분무각은 감소한다. 또한 리세스 길이가 길어지게 되면 기체-액체의 혼합영역이 증가하게 되어 기체의 영향이 증가하게 되고 분무각은 감소한다. The objective of this work was to investigate the spray characteristics of gas centered swirl coaxial injectors according to the gas-liquid momentum flux ratio which is the key parameter of coaxial injectors. The results showed that the spray angle decreased as the momentum flux ratio increased. At the low liquid differential pressure and high gas velocity, the variation of spray angle increased larger than the condition at the high liquid differential pressure and low gas velocity. As the recess length increased, that is the mixing area of gas and liquid, the spray angle decreased because the effect of gas became larger.

초음속 엔진용 연소기를 위한 스크류형 선회기를 장착한 압력선회형 인젝터의 성능

황용석(Yong-Seok Hwang),이장우(Jang-Woo Lee),이상연(Sang-Youn Lee),정해승(Hae-Seung Jeong),윤현걸(Hyun-Gull Yoon) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.3

초음속 순항 엔진 연소기에 적용하기에 유리한 스크류형 선회기를 장착한 인젝터의 성능을 이론적, 수치적, 실험적 방법을 통해 밝혀내었다. 인젝터의 성능은 유출계수와 분무각을 중심으로 살펴보았으며, 이에 영향을 미치는 형상 파라미터를 정의하고 기준 인젝터를 설계하여 형상계수에 따른 성능의 변화를 살펴보았다. 정의된 범위에서 인젝터의 성능은 이론적 예측에 의한 값보다 작은 값으로 나타났으며, VOF 방법을 사용한 수치해석에 의해 성능이 매우 잘 예측되는 것을 확인할 수 있었다. 점성장벽에 해당하는 특성은 나타나지 않았으며, 최소 0.05의 유출계수와 최대 104°의 분무각을 얻을 수 있었다. Performance of injector equiped with screw type swirler which is suitable for supersonic cruise engine combustor was investigated using theoretical, numerical, and experimental methods. Based on discharge coefficient and spray angle which represent the performance of injectors, the geometrical parameters which affect these performance parameters were defined, control group injectors were designed, and variation of performance parameters according to the geometrical parameters were examined. Within the defined range, measured value of performance of injectors was smaller than result of theoretical prediction, and prediction result from numerical simulation using VOF method agreed with the result of experiments very well. The viscous barrier was not observed, and minimum discharge coefficient and maximum spray angle, 0.05 and 104° respectively, was obtained for this type of injector.