발간 현황

Fig. 1의 가시화 챔버는 스테인리스 스틸 304로 제작되었으며, 중앙의 메인 챔버와 양 옆의 사이드 챔버 한 쌍으로 구성된다. 직경 60 mm 가시화 영역에 두께 30 mm의 석영유리(quartz)를 양쪽 각각 하나씩 사용하였다. 고온 고압 환경에서 밀폐된 상태를 유지하기 위해 SSTC사의 3 mm 두께 흑연 가스켓(graphite gasket)을 챔버와 석영유리 중간에 삽입하였다. 챔버 내의 온도를 고온으로 유지하기 위하여 450 W 스테인리스 밴드 히터 2개를 설치하였다. 온도 및 압력을 측정하기 위해 메인챔버 상부에 열전대(1/16 inch K-Type, Ground Type)와 Wika의 압력 트랜스듀서를 사용하였다.

Fig. 1 
Schematic of pressure chamber module.

Fig. 2는 분무 가시화 실험장치의 전반적인 구성을 나타낸다. 연료분사 시스템은 연료공급라인 내부에 연료가 주입된 상태에서 챔버 내부 온도는 임계온도, 압력은 실험 조건으로 조정한 뒤 노즐 상단의 밸브를 닫고 인젝션 라인과 챔버 내부의 차압을 발생시켜 직경 1 mm의 인젝터에서 0.05 MPa의 압력으로 챔버 내부에 분사되도록 설계하였다. 챔버 내의 온도와 압력은 LABview로 수집하였으며 제어기로 매 Case마다 챔버 내의 상변화 된 잔류 연료를 배출시키고 불활성 기체인 질소로 가압하였다. Case 사이에 충분한 시간을 두어 챔버와 인젝터를 동일 조건으로 유지하였다.

Fig. 2 
Schematic of experimental system.

챔버와 배관을 불활성 기체인 질소로 충전한 후 챔버의 압력과 온도를 시험 조건과 동일하게 유지하였다. 연료 공급 라인의 purge 후 연료를 주입하고 차압 0.05 MPa 상태로 분사 조건을 형성하였다.

분사 시 유체와 분사 경계면에서의 밀도 구배를 관찰하기 위한 방법으로 Shadowgraphy 기법을 이용하였다. 렌즈와 SST-90 LED, CMOS카메라(Fastcam-APX RS)를 사용하여 연료가 분사되는 순간을 촬영하였다. 초당 프레임 수, 셔터 속도, 그리고 해상도는 각각 30,000 fps, 1㎲, 그리고 128 x 256 pixel이다.

탄화수소계열 유체로는 Decane Methylcyclohexane (이하 MCH)를 사용하였다. Decane과 MCH는 탄화수소화합물로 각각의 물성치는 Table 1에 나타냈다. 또한 챔버 내압을 연료의 임계압력으로 나눈 환산압력(reduced pressure, Pr)과 챔버 내부온도를 연료의 임계온도로 나눈 환산온도(reduced temperature, Tr)를 정의하였고, Table 2에 나타낸 조건 하에서 실험 결과 값을 얻었다.

Shadowgraphy 기법으로 획득한 이미지를 이미지 후처리(image processing)를 통해 분석하였다. 정상상태에서의 분사 순간 이미지 2,000장으로 평균 이미지를 도출하였다. 얻어진 평균이미지는 밝기에 따라 값을 도출하였고 무차원화 된 변수로 나타내었다.

Fig. 2는 Decane과 MCH의 정상상태 순간이미지이며, Fig. 3은 Fig. 2의 구배 이미지(gradient image)를 나타낸다.

Fig. 3 
Instant image of Decane (a, b, c) and MCH (d, e, f).

Fig. 2와 Fig. 3의 (a), (b), (c)는 Decane의 환산압력에 따른 분사의 순간이미지를 나타낸다. Decane의 경우 환산압력이 0.6, 0.8인 아임계 조건에서의 분사와 1.0인 초임계 조건에서의 분사가 유사한 패턴을 보이는 것을 알 수 있다. 빛의 굴절에 의해 액주의 형태는 중앙이 밝은 형태를 띄며, 연료와 질소의 경계면과 액주의 중앙에서 큰 밀도구배를 관측할 수 있다.

Fig. 2와 Fig. 3의 (d), (e)는 MCH의 분사 순간이미지를 나타낸다. 환산압력이 0.6, 0.8인 아임계 조건에서의 분사 이미지는 액주가 분열되고 기화하여 급격한 팽창에 의해 불규칙한 분사패턴을 보인다. 반면 초임계 상태인 Fig. 2(f)와 Fig. 3(f)에서는 Decane의 경우와 유사한 중앙이 밝은 형상의 액주를 관측할 수 있다.

Fig. 4는 MATLAB을 이용하여 Decane과 MCH의 각 케이스 별 정상상태(steady state) 평균이미지를 도출해낸 것이다. 평균이미지에서 세로축을 x, 가로축을 y라 정의하고, 인젝터 직경 D를 기준으로 각각 x/D, y/D의 값으로 무차원화 하였다. 그래프는 x/D의 값이 1~4인 지점에서 평균이미지를 명도에 따라 무차원화 된 값으로 나타낸 것으로 명도가 높을수록 1에 가까운 값을 가진다.

Fig. 4 
Instant gradient image of Decane (a, b, c) and MCH (d, e, f).

Fig. 5 
Average image of Decane (a, b, c) and MCH (d, e, f) in steady state.

환산압력이 0.6, 0.8인 아임계 조건에서 Decane과 MCH는 다른 거동을 보인다. 그래프 환산압력 0.6 조건의 Decane은 값이 가장 작은 두 지점 사이의 y/D 값이 약 0.475로 x/D값에 관계없이 동일한 패턴을 보이는데 반해, MCH의 경우 y/D값이 x/D값이 1일 때 0.775, 2일 때 0.7로 나타났고 x/D값이 3, 4의 지점에서는 관측이 불가하였다. 환산압력 0.8 조건에서도 유사한 경향을 확인 할 수 있다. Decane의 경우 최소값 사이의 y/D값이 약 0.3으로 네 지점에서 유사한 값을 갖는 반면 MCH의 경우 x/D값이 1, 2, 3인 지점에서 약 0.7의 y/D값을 가지며 4의 지점에서는 관측이 불가하였다.

환산압력 1.0의 초임계 조건에서 Decane은 아임계 조건과 유사한 형상을 보이며, MCH는 확연히 다른 경향을 보인다. Decane의 경우 환산압력 0.6, 0.8 조건과 동일하게 y/D값은 네 구간 유사하게 0.45의 값을 나타낸다. MCH의 경우 아임계 조건과는 달리 x/D값이 1~4인 구간에서 모두 최소값 사이의 거리를 측정할 수 있으며, y/D값이 약 0.45로 Decane과 유사한 거동을 보인다. 이를 토대로 초임계 상태에서는 아임계 상태에서 관측되었던 액주 주변의 상변화 과정이 나타나지 않는다는 것을 확인 할 수 있다.

동일한 환산압력과 환산온도 조건 하에서 MCH와 Decane의 거동은 차이를 보인다. MCH의 경우에는 아임계 조건과 초임계 조건에서 분사 이미지가 확연히 다른 것을 확인할 수 있는 반면, Decane의 경우에는 아임계 조건과 초임계 조건의 이미지가 유사하게 나타난다.

각 케이스별로 초기 인젝션 상태에서 상변화가 일어나기까지의 온도변화량이 Fig. 6에 나타나 있다. Case 1-3은 Decane의 실험조건이며, Case 4-6은 MCH의 실험조건이다. Decane의 경우 분사 후 경계면에서 상변화가 일어나기 까지 필요로 하는 온도변화량이 큰 반면, MCH의 경우는 Decane에 비해 상대적으로 적은 온도변화량이 필요하다.

Fig. 6 
Non-dimensionalized gray scale along y/D at various axial position.

Table 3은 초기 인젝션 온도(300 K)로부터 기화되기까지의 온도와 정압비열의 변화량을 나타낸 자료이다. MCH와 Decane의 아임계 조건 실험에서 초기 인젝션 온도와 실험조건 사이의 정압비열의 차는 약 1.5 - 2.2 (kJ/kgㆍK)이다.

Decane의 초임계 조건 실험인 Case 3에서 초기 인젝션 온도와 실험조건 사이의 정압비열의 차는 3.68 (kJ/kgㆍK)로 아임계 조건과 큰 차이가 없음을 볼 수 있다. 반면 MCH의 초임계 조건 실험인 Case 6의 경우 정압비열의 차는 17.69 (kJ/kgㆍK)로 아임계 조건 실험과 크게 차이가 난다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8과 Fig. 9는 Decane과 MCH의 온도변화에 따른 밀도변화의 그래프이며 아임계 조건에서 상변화 시 급격한 밀도변화가 일어남을 알 수 있다[12].

Fig. 7 
Phase diagram of Decane and MCH.

Fig. 8 
Change of evaporation enthalpy of Decane and MCH.

Fig. 9 
Density change of Decane with temperature change.

Fig. 10 
Density change of MCH with temperature change.

Case 1, 2의 이미지에서 보이는 중앙이 밝은 형상의 액주는 경계면에서의 기화현상이 거의 발생하지 않는다는 것을 의미하며, Case 4, 5의 급격한 팽창에 의해 불규칙한 분사패턴을 보이는 액주 이미지는 연료와 질소사이 경계면에서의 활발한 기화현상이 발생한다는 것을 의미한다. 초임계 상태에서 유체는 액체상태와 유사한 밀도를 가지며 표면장력이 거의 사라져 초임계 유체의 특성에 의해[1] Case 3, Case 6과 같은 중앙이 밝은 형상의 액주를 형성한다.