Flow regime and suction rate of gas-liquid swirl ejector depending on swirl intensity and back pressure

국문 초록 (Abstract)

버블 컬럼이 장착된 아랫방향 스월 노즐 기체-액체 이젝터에 대해 후방 압력과 스월 강도에 따른 유동 양식과 흡입 유량 변화를 실험적으로 계측하고 노즐을 통한 제트의 미립화 및 이젝터 내 유동 특성 등을 바탕으로 변화 원인을 분석하였다. 제트의 스월 강도가 약할 경우 노즐 출구로부터 먼 거리까지 제트는 액주 형태로 유지되며 높은 축방향 운동량을 갖고 이 경우 외부 기체의 흡입유량은 Impinging effect에 의존한다. 반면 제트의 스월 강도가 강할 경우 접선방향 운동량과 난류의 증가로 액주가 빠르게 액적으로 미립화되고 축방향 운동량이 거리에 따라 급격히 감소하며 Mixing shock 상단에서의 가스와 액적(또는 액주) 사이의 운동량 전달이 외부 기체의 흡입유량에 큰 영향을 준다. 따라서 스월 강도에 따라 약한 스월과 강한 스월로 구분하였고 약한 스월의 경우 후방압력 증가에 따라 유동양식이 Coaxial, Mixed, Bubble flow로 천이하는 반면, 스월 강도가 증가할수록 후방압력 증가 시 유동양식이 Coaxial flow에서 Bubble flow로 바로 천이하였으며 디퓨저와 버블 컬럼에서 회전유동이 관찰되었다. 후방압력 증가에도 불구하고 유동양식 천이에 의해 외부 가스 흡입량이 증가하였으며 스월 강도가 강할수록 증가폭이 상승하였다. Bubble flow 영역에서, 강한 스월의 경우 후방압력 증가에 따른 가스 흡입유량의 감소율이 약한 스월의 경우보다 작게 나타났으며 동일한 후방압력에 대해 높은 가스 흡입유량이 나타났다. 그러나 스월 강도가 증가할수록 최소 기체 흡입유량의 감소로 유동양식 천이 압력이 증가하고 Snb가 0.14 이상인 경우 대기압 및 상대적으로 낮은 후방압력 조건에서 Bubble flow 유동양식이 나타나지 않는다. 윗방향 스월 노즐 이젝터의 실험 결과와 마찬가지로 Bubble flow 유동양식일 때 바디 스월 넘버 0.14에서 가장 높은 흡입 유량과 에너지 효율을 보였다. Bubble flow 유동 양식에서 축방향 노즐 이젝터의 실험 결과는 선행 연구의 실험적 관계식과 일치하였으나, 강한 스월을 사용한 이젝터의 실험결과는 선행연구의 관계식으로 나타낼 수 없다. 본 실험 결과를 바탕으로 강한 스월 이젝터에 대한 실험적 관계식을 결정하였으며 오일러 수의 지수 값은 -0.301이다. 이는 축방향 노즐 이젝터에서 사용 된 오일러 수의 지수 값보다 큰 값이며 효율의 증가를 의미한다. 스월 노즐을 사용한 기체-액체 이젝터의 경우 일차 유체의 종류 및 유량, 이젝터의 형상 등이 동일한 조건에서도 스월 강도와 후방 압력에 따라 유동 양식과 가스 흡입유량이 다르게 나타난다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, variation of the flow regime and the gas suction rate relative to the back pressure and the swirl intensity were investigated using downward swirl nozzle gas-liquid ejector with bubble column. And, academic understanding was improved through theoretical explanation using the minimum flow rate, the rotation of the fluid in the ejector, and the spray characteristics of the jet. When the swirl intensity of the jet was weak, jet was maintained in the form of liquid column and had high axial momentum for a long distance from the nozzle outlet. In this case, the gas suction flow rate depends on the Impinging effect. On the other hand, when the swirl intensity of the jet was strong, because the tangential momentum and disturbance caused by the turbulent was increased, the liquid column was atomized rapidly and axial momentum was decreased dramatically according to axial direction. In this case, the gas suction rate was heavily influenced by the momentum transfer between the liquid jet (or droplets) and the entrained gas before the Mixing shock. Therefore, Weak swirl and Strong swirl were defined according to the swirl intensity. In the case of the Weak swirl, as the back pressure was increased, the flow regime was changed in the order of Coaxial, Mixed, and Bubble flow. But, as the swirl intensity was increased, the flow regime was changed directly from the Coaxial flow to the Bubble flow, and rotational flow was observed in the diffuser and bubble column. Despite the increase in the back pressure, the gas suction rate was increased by the transition of the flow regime, and it was increased more significantly by going to higher swirl intensity. In the Bubble flow, the Strong swirl ejector had lower decreasing rate with rising the back pressure and higher gas suction rate at the same back pressure than the Weak swirl ejector. However, the transition pressure in flow regime increased with rising swirl intensity due to the reduction of the minimum flow rate. As a result, when Snb is 0.14 or more, the Bubble flow regime did not appear under atmospheric or relatively low back pressure conditions. Similar to the previous study on the upward swirl gas-liquid ejector, the highest gas suction rate and energy efficiency were observed at an Snb of 0.14. In the Bubble flow regime, experimental results using axial nozzle (Snb= 0) in this study could be fitted by empirical correlation in the previous study. However, it was impossible for the Strong swirl ejector. Using the experiment results of this study, the new exponent of empirical correlation was determined. In the case of the Strong swirl, the exponent value of the Euler number was -0.301. This value is greater than that of axial nozzle ejector, and this means an increasing in the energy efficiency. Even under the same conditions such as kinds of primary fluid, flow rate of primary fluid, and geometry of ejector, in the case of gas-liquid ejectors using swirl nozzle, the flow regime and the gas suction rate were changed depending on the swirl intensity and the back pressure.