전단 동축 분사기가 적용된 분사시스템에서 환형 기체 제트의 전단력은 액체 제트의 분무각과 입경 분포, 분무의 비산, 화염 거동 특성을 변화시킨다. 액체 제트 분열의 경우 전단력이 증가함에 따라 액적 평균 직경이 감소하고 분무각과 비산이 증가하며, 전단력이 감소함에 따라 액적 평균 직경이 크게 나타나고 분무의 비산 특성은 감소하게 된다. 또한, 화염 거동 특성의 경우 전단력 변화에 따라 분무각과 미립화 특성이 변화하여 부상 화염의 거리와 화염각이 달라진다.
분무의 비산, 미립화 특성, 화염의 거동 특성을 파악하기 위해서는 전단 동축 분사기의 기체 유동 및 분무 특성의 파악이 중요하며, 이를 위해 중심유로와 내측 환형유로, 외측 환형유로로 구성된 3단 동축 분사기(tricoaxial injector)를 설계 제작하여 내측 환형유로와 외측 환형유로의 기체분사 비율에 따른 축방향 기체 유동, 분무 분열 및 화염 거동 특성을 연구하였다. 전단 동축 분사기의 분무 분열 원리는 액주 자체의 수력학적 분열보다 기체유동의 전단력과 이로 인한 액주 내부의 난류 섭동 에너지 증폭에 의한 것으로 볼 수 있으며, 본 연구에서는 기체분사 비율에 따른 운동량 플럭스 비를 사용하고 열선 유속 측정 기법, 분무 및 화염 가시화 기법, 레이저 회절 입자 측정 기법을 활용하여 축방향 기체 유동 특성, 거시적 분무 분열 특성, 입경 분포 특성 및 화염 거동 특성을 파악하였다.
내측 환형유로와 외측 환형유로의 기체분사 비율에 따른 축방향 유동 형태 변화 특성을 파악하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 내측 환형유로에서 분사된 기체 유동은 Z/d=5 영역에서 혼합 과정을 겪고 외측 환형유로에서 분사된 기체 유동은 Z/d=10 영역에서 혼합 과정을 나타내었다. 3단 동축 분사기의 외측 환형유로 기체분사 레이놀즈수를 증가시킴에 따라 환형 기체 제트의 유동이 발달하여 내측 환형유로에서 분사된 기체 유동 주위에 유동막 또는 유동 경계층을 생성시키는 현상을 파악할 수 있었다.
3단 동축 분사기 내측 환형유로의 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 액주의 파장 거리가 감소하고 미립화 효율이 향상되었으며, 분무각이 증가하는 경향이 나타났다. 또한, 외측 환형유로의 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 환형 기체 유동에 의해 분무각이 감소하는 경향을 파악할 수 있었으며, 3단 동축 분사기의 무차원 분무 분열 거리, SMD, 대표입경수, 분포상수를 선형 회귀법을 활용하여 운동량 플럭스 비에 대한 상관 관계식으로 나타내었다.
3단 동축 분사기 내측 환형유로의 운동량 플럭스 비를 증가시킴에 따라 분무 분열은 향상되었지만 액체 제트가 분무 외곽으로 분산되는 형태를 나타내었으며, 외측 환형유로의 운동량 플럭스 비를 증가시킴에 따라 분무 질량이 중심에 집중되는 형태를 관찰할 수 있었다. 또한, 내측 환형유로 운동량 플럭스 비를 일정하게 유지한 상태에서 외측 환형유로의 운동량 플럭스 비를 증가시킴에 따라 기체 유동막의 생성으로 분무 중심 영역에 분무 질량이 집중되는 현상을 관찰할 수 있었다.
3단 동축 분사기의 화염 거동 특성 연구 결과 외측 환형유로의 기체(산화제) 분사를 통해 화염각을 감소시킬 수 있었고 내측 환형유로의 낮은 운동량 비 조건에서 미립화되지 않는 액체 제트의 분무 분열을 향상시키고 연료와 산화제의 혼합을 유도하여 연소 성능의 향상을 도모할 수 있었다.
3단 동축 분사기 내측 환형유로의 운동량 플럭스 비를 증가시킴에 따라 OH* 활성화기를 화염 후방으로 연장시킬 수 있었고 3단 동축 분사기의 외측 환형유로의 운동량 플럭스 비를 증가시켜 OH* 활성화기의 경계면을 발달시킬 수 있었다. 또한, 화염대 중간 영역에 생성된 OH* 활성화기의 강도를 증가시킬 수 있었으며, 3단 동축 분사기의 외측 환형유로 기체분사를 통해 화염의 온도를 증가시킬 수 있었다.
3단 동축 분사기의 기체분사 비율에 따른 축방향 기체 유동 분포 형태를 파악하였고 이에 따른 분무 분열의 상관관계를 분석하였으며, 화염 구조 및 온도 분포 특성의 실험적 연구 결과를 제시하였다. 이러한 연구 결과는 도장 및 용사 코팅 공정에서 분무 및 금속입자의 비산을 감소시키고 기체 제트의 유동 분포, 분무 분열 및 화염 구조의 다양한 특성을 예측하고자 하는 분무 시스템의 설계 및 성능 개선에 효과적인 설계 방향을 제시 할 수 있을 것으로 사료된다.