168-169 2018 [추계학술대회]
| 제목 | 니들 위치와 오리피스 입구부 형상이 캐비테이션 유동 및 분사각에 미치는 영향 |
|---|---|
| 분야 | 연료 및 윤활유/연비 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 김병균(전남대학교), 박동진(전남대학교), 박수한(전남대학교), 조성인(전남대학교) |
| Key Words | Cavitating flow (캐비테이션 유동), Shape of orifice inlet(오리피스 입구부 형상), Needle positions(니들 위치), Shadow graphic visualization(그림자 시각화 기법), Characteristics of spray(분무 특성) |
| 초록 |
최근 균일한 혼합기 형성 및 미립화의 향상을 위해 분사압력은 높아지고, 분공의 크기는 축소되며, 분공 개수는 점차 증가하고 있다. 이러한 경향으로 캐비테이션 유동(Cavitating flow)이 인젝터 노즐 오리피스 내부에서 발생하는 현상은 불가피하다. 인젝터 내부에서 발 생하는 캐비테이션 유동은 연료의 분무 및 미립화 특성에 영향을 끼친다. 따라서 내연기관 의 엔진 열효율을 향상시키고, 배기가스 배출을 저감할 수 있는 중요한 전략 중 하나로 인 젝터에서 분사되는 연료의 분무 최적화를 예로 들 수 있다. 결과적으로 분무 최적화로 인한 내연기관의 엔진 열효율 증가는 화석연료 소비율을 감소시키는 효과로 화석연료 고갈을 늦 춰 주기 때문에 자원고갈에 대응하기 위한 대체 에너지자원 개발의 대비책 중 하나로 판단 된다. 더불어 배기가스 배출 저감은 온난화와 같은 환경관련 문제를 해소할 수 있는 방법 중 하나로 판단된다. Fig. 1는 노즐 내부의 캐비테이션 유동을 가시화하기 위한 장치 개략도이다. 작동유체로는 물을 사용하였다. 인버터 펌프(PBI-205MA, Wilo)를 이용하여 0.1 bar 단위로 노즐로 물을 공급하고, 터 빈식 유량계(BF50, Neriteck)로 공급 유량을 측정하였다. 노즐 오리피스의 내부 및 외부 유동은 메 탈-할라이드 램프(MID-25FC) 광원과 초고속 카메라(FASTCAM, Mini AX100)를 이용해 그림자 촬영(Shadow Graph)기법을 이용하여 캐비테이션 현상을 가시화하였다. 취득된 영상은 자체 제작 된 영상처리 프로그램을 이용하여 분석하였다. Fig. 2은 다양한 오리피스 입구형상에서 니들의 위치가 변함에 따라 비대칭으로 형성되 는 무차원화 된 캐비테이션 길이와 분무각 중에서 큰 분무각과 긴 캐비테이션 길이 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 분무각은 캐비테이션 길이가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보 였으며, 오리피스 입구가 각진 형상이 둥근 형상보다 분무각이 더 크게 형성됨을 보였다. 또한 모서리가 더 둥근 형상(R = 0.7 mm)이 덜 둥근 형상(R = 0.3 mm)보다 분무각이 더 작게 형성됨을 보였다. 니들 위치와 다양한 오리피스 입구 형상과 관계없이 캐비테이션이 점차 성장함에 따라 분무각이 서서히 증가하기 시작했으며, 노즐 출구부에 가깝게 도달할수 록 분무각이 급격하게 증가함을 보였다. 이는 생성된 캐비테이션의 끝단에서 발생되는 유동 방향의 수직 운동량과 캐비테이션 구름의 거품 붕괴 현상이 캐비테이션이 성장함에 따라 노즐 출구 부분에서 더욱 더 큰 영향을 끼치기 때문으로 판단된다. 또한 니들 위치가 아래 에 위치한 경우가 분무각이 더 크게 형성되었으며 니들이 중앙에 위치할 경우는 무차원화 된 캐비테이션 길이가 증가함에 따라 니들이 치우쳐진 경우보다 상대적으로 분무각이 작게 형성됨을 보였다. 이는 니들이 치우쳤을 경우의 유량이 많은 부분이 니들이 중앙에 위치한 경우의 유량보다 더 크기 때문으로 판단된다. 본 연구에서는 노즐 길이(L)를 8 mm, 너비(W) 4 mm 인 조건에서 니들 위치와 오리피스 입구 형상을 변경시켰을 때 캐비테이션 유동 및 분무 특성에 미치는 영향을 파악했으며, 분무각의 변화 는 캐비테이션 길이가 점차 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이고 니들위치와 오리피스의 입구형 상이 분무각에 영향을 주는 것을 확인하였다. |
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