초음속 액체 제트 분사 기술은 재료의 절단 및 세척, 터널의 채광 작업과 같은 넓은 범위로 공학적 기술이 적용되는 것으로 알려졌으며, 최근 들어 초고압 인젝터를 사용하는 자동차 디젤 엔진의 직접 연료 분사 방식이나 항공기 SCRAM 제트 엔진의 연소 성능을 개선하는 방법으로 추론되고 있다. 연료가 초고압으로 분사되면 액체 제트의 미립화가 향상되어 완전 연소를 도모하고, 매연과 입자상 물질을 저감할 수 있는 이점이 있다. 이러한 장점을 가지는 초고압 분무의 연소 성능 연구를 수행하기 위해서는 초음속 액체 제트의 분사 특성을 파악하기 위한 사전 연구가 필요하다. 특히 분사 침투 거리, 분사 속도, 액적의 크기 및 분포도와 같은 특성은 연소 성능을 결정하는 데 큰 역할을 한다.
본 연구는 강력한 압력 펄스를 제공하는 발사체-액체 충격 방법인 2단식 경가스 총을 이용하여 극초고압을 사용하는 분사 기술에 응용하고자 한다. 초음속 액체 제트에 관한 열-유체역학적 특성들을 규명하고 정성적/정량적 결과를 도출하기 위한 기초적 방향을 제시하는 것이 목표이다.
고압관, 펌프관, 발사관 및 노즐로 구성된 2단식 경가스 총은 1회 분사로 실험이 완료되는 단발 분사 장치로써 강한 충돌의 운동에너지를 제공한다. 발사관 후방에 장착되는 액체 저장부에 발사체가 충돌하여 노즐 오리피스를 통해 액체를 초음속으로 분사시키는 구조이며, 본 실험에서는 3가지 발사체 충격 구동 방식을 고안하였다. Type-A와 B는 직접적으로 매우 빠른 속도의 발사체가 격막으로 저장된 액체 저장부에 충돌하여 짧은 시간에 높은 충격량으로 액체를 분사시키는 구조이며, Type-C는 액체를 저장하는 피스톤을 통해 비교적 낮은 충격량을 지속적으로 전달함으로써, 상대적으로 긴 가압시간을 가지는 방식이다.
노즐 어셈블리에 장착되는 노즐 오리피스는 직선 원추형을 사용하였으며, 노즐 오리피스 길이/직경비(L/d)를 이용하여 분사 속도, 침투 거리 및 충격파 구조를 쉴리렌 유동 가시화 기법을 통해 분석하였다.
Type-A 노즐 어셈블리의 동일한 L/d 조건에서 오리피스 직경이 감소할수록 분무 속도와 침투거리가 증가되는 경향을 파악하였다. 또한, Type-B 노즐 어셈블리를 사용한 경우 점도가 높은 오일(5W/20)이 제트 내부에서 큰 운동량을 가지는 액주가 점도가 낮은 물에 비해 비교적 높은 분사 속도와 침투 거리를 보였다. Type-C 노즐 어셈블리를 통해 낮은 충격압력으로 분사된 액체 제트는 전방의 충격파를 관통하지 못하고 분열이 빠르게 진행되었으며, 분열 직후 펄스 분사된 액주는 2차 충격파와 다중 충격파를 생성하였다.
또한, 초음속 액체 제트의 미시적 분사 특성을 파악하기 위해 미립화 정도를 SMD로 분석하였다. SMD는 광학적인 측정 방법으로 레이저를 이용한 측정 기술을 사용하였고, 분무 유동에 대한 비접촉식 측정을 통해 정밀한 측정을 수행하였다.
초음속 액체 제트의 SMD는 오리피스 직경이 작아짐에 따라 감소하는 특성을 나타내었고, 오리피스 길이가 증가해도 SMD는 큰 변화가 없는 균일한 분포를 나타내었다.
여러 가지 극초고압 분사 기술에 응용하기 위해서는 액체의 물성치 조건과 비-뉴튼 유체의 다양한 점도를 고려하여야 한다. 이에 따라 대표적으로 사용되는 뉴튼 유체인 물과 비-뉴튼 유체인 Polyquater Gel의 점도 변화에 따른 초음속 액체 제트의 분사 레이놀즈수와 침투 거리 및 충격파 구조를 비교하였으며, 점도 측정을 위해 ARES 유변학 점도계를 사용하였다.
점도가 가장 큰 유체의 경우 높은 농도 지수와 표면 장력으로 인해 최대 분사 속도를 달성하였으며, 높은 중량 밀도로 인한 강한 분자간의 힘으로 가장 큰 액적 직경 분포가 측정되었다.

A supersonic liquid jet has been studied for engineering applications such as material cleaning and cutting technologies or tunneling. Recently, the supersonic liquid jet has been noted to progress direct injection system of a diesel engine which uses the high pressure injector, and the SCRAM jets engine for a hypersonic vehicle. When the fuel is injected by the high pressure, a jet breakup improves and causes substantial benefits include increasing a combustion efficiency and decreasing a emission. In order to conduct the combustion study of the high pressure spray with these advantages, the preliminary research is required to reveal the spray characteristics of the high-pressure liquid jet. Especially, the spray penetration distance, spray velocity, droplet size and distribution play important role to determine the combustion performance.
In this study, a two-stage light gas gun which provides a strong pressure pulse produced by a projectile, so called ‘projectile impact driven’ method, is adopted to a ultra high pressure injection technology. The objectives of this study are uncovering a thermo-fluid mechanical characteristics of the supersonic liquid jet and providing fundamental guide to obtain the qualitative and quantitative results.
The two-stage light gas gun is configured with high pressure tube, pump tube, launch tube and liquid storage nozzle and the gas gun provide a strong impact energy only for a single shot experiment. It is the operating mechanism that the projectile, accelerated by pressurized gas, impacts on a liquid storage which mounted at the launch tube exit and then, liquid jet is injected into ambient air with supersonic velocity. In this experiment, three different types of the projectile impact driven methods was used. In case of the Type-A and B, the very fast projectile impacts the liquid storage which is blocked with a diaphragm and the jet injected by the high impulse in a short duration. In contrast, the Type-C has the longer duration of pressurization because a piston in the Type-C nozzle assembly deliver the low impulse continuously.
A orifice mounted on nozzle assembly has a straight cone shape and effects of the length to diameter ratios of the orifice (L/D) on a spray velocity, penetration distance and shockwave structure by using the schlieren methods.
In the same L/D conditions, the spray velocity and the penetration distance increased due to decreasing of the orifice diameter in the type A nozzle. Also, the oil which has high viscosity showed the higher spray velocity and the penetration distance in the Type-B nozzle than the water which has relatively lower viscosity. In the Type-C nozzle, the liquid jet injected in the low impulse could not penetrate the leading shockwave and the jet broke up rapidly. And the pulsed liquid column made the second multiple shockwaves.
In addition, the Sauter mean diameter(SMD) was analyzed to investigate the microscopic spray characteristics of the supersonic liquid jet. SMD was estimated precisely by a laser measurement technique which performs a contactless measurement.
Moreover, for the applications to ultra-high-pressure injection technologies, the liquid properties such as the viscosity of non-Newtonian fluid should be considered. Thus the two presentative liquid were used to study the viscosity effects on the injection Reynolds number, penetration distance and shockwave structure; water for the Newtonian fluid and Polyquater gel for the non-Newtonian fluid. ARES rheometer was used to measure the viscosities as shear rates.
In case of the highest viscosity fluid, the maximum injection velocity was obtained because of a high consistency index and surface tension. Moreover, in the same case, the largest SMD was measured due to a strong intermolecular forces caused by a high weight density.