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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 성재용
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
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치아의 근관세척이나 워터픽 장치에 미세기포 생성기술을 적용하여 세척능력을 극대화하려는 노력이 있는데, 이를 구현하기 위해서는 소형 크기의 기포발생기와 단순한 장치구성이 요구된다. 본 연구에서는 다양한 방식의 기포발생기 중 자흡식 벤츄리 타입의 기포발생기에 대한 연구를 수행하였다. 자흡식 벤츄리 노즐은 물을 주입했을 때 좁은 목에서 발생하는 음압에 의하여 추가적인 동력 없이 공기를 흡입하여 기포를 만들 수 있는 구조이다. 자흡식 벤츄리 노즐에서 토출되는 기포수의 특성은 주입되는 물 유량 뿐 아니라 형상 변수, 공기 흡입으로 인한 물-공기 이상유동의 형태 등 다양한 요인들이 복합적으로 작용하여 결정된다. 자흡식 벤츄리 노즐에 대한 선행연구들을 보면 대부분 노즐의 형상과 물 유량에 따른 공기 흡입량 또는 기포 크기분포에 대한 연구가 대부분이다. 하지만, 물-공기 이상유동은 기포류 뿐 아니라 다양하게 형성될 수 있으며 그에 따라 유동 특성이 달라 공기 흡입에 영향을 줄 수 있는데 이에 대한 연구는 미비하다. 본 연구에서는 수력직경이 1 mm 이하인 소형 크기의 자흡식 벤츄리 노즐에 대한 연구를 수행하였다. 확대각에 따라 다양한 노즐을 제작하고 고속카메라를 이용하여 물-공기 이상유동을 가시화하였다. 또한, 다양한 물 유량과 입구압과 출구압의 비인 압력비에 따른 공기 흡입량과 입출구압을 측정하여 성능을 평가하였다.
자흡식 벤츄리 노즐에서 공기 흡입에 따른 이상유동의 형태는 환형류와 기포류로 확인되었다. 기포류에서는 유량이 크고 압력비가 작을수록 공기 흡입량 증가와 함께 더욱 많은 기포가 발생했다. 환형류에서는 물 유량과 압력비가 큰 경우에 공기 코어의 분열과 경계면의 진동이 강하게 나타났다. 특히, 환형류에서는 압력비가 증가함에 따라 낮은 압력비에서는 공기 코어의 영역이 점점 감소하면서 공기 흡입량 또한 줄어들지만, 특정 압력비에 도달하면 기포류로의 유동 천이가 나타나면서 공기 흡입량이 급격하게 증가했다. 물-공기 이상유동의 형태가 공기 흡입량에 미치는 영향을 분석하기 위하여 동일한 물 유량에서 물만 흐르는 단상유동과의 압력 특성을 비교하였다. 압력비가 증가함에 따라 입구압과 출구압의 차가 단상유동은 일정한 반면에 이상유동에서는 그 값이 더욱 크고 점점 감소한다. 이는 이상유동에 따른 마찰 압력 강하가 작용한 것으로 이상유동 마찰 승수를 적용하고 이상유동의 형태별로 비교하였다. 그 결과 이상유동 마찰 승수는 기포류가 환형류일 때보다 작았으며 따라서 유동 천이가 발생하는 경우 노즐 내부의 이상유동에 의한 마찰 강하가 감소함을 확인하였다.
자흡식 벤츄리 노즐에서 공기 흡입에 따른 이상유동의 형태는 환형류와 기포류로 확인되었다. 기포류에서는 유량이 크고 압력비가 작을수록 공기 흡입량 증가와 함께 더욱 많은 기포가 발생했다. 환형류에서는 물 유량과 압력비가 큰 경우에 공기 코어의 분열과 경계면의 진동이 강하게 나타났다. 특히, 환형류에서는 압력비가 증가함에 따라 낮은 압력비에서는 공기 코어의 영역이 점점 감소하면서 공기 흡입량 또한 줄어들지만, 특정 압력비에 도달하면 기포류로의 유동 천이가 나타나면서 공기 흡입량이 급격하게 증가했다. 물-공기 이상유동의 형태가 공기 흡입량에 미치는 영향을 분석하기 위하여 동일한 물 유량에서 물만 흐르는 단상유동과의 압력 특성을 비교하였다. 압력비가 증가함에 따라 입구압과 출구압의 차가 단상유동은 일정한 반면에 이상유동에서는 그 값이 더욱 크고 점점 감소한다. 이는 이상유동에 따른 마찰 압력 강하가 작용한 것으로 이상유동 마찰 승수를 적용하고 이상유동의 형태별로 비교하였다. 그 결과 이상유동 마찰 승수는 기포류가 환형류일 때보다 작았으며 따라서 유동 천이가 발생하는 경우 노즐 내부의 이상유동에 의한 마찰 강하가 감소함을 확인하였다.
목차
1. 서 론 11.1 자흡식 벤츄리 노즐 11.2 연구동향 51.3 배경이론 121.3.1 물-공기 이상유동의 형태 121.3.2 물-공기 이상유동의 마찰 압력 강하 151.4 연구필요성 및 목적 192. 실험방법 202.1 자흡식 벤츄리 노즐의 형상 202.2 실험장치 구성 223. 결과 및 고찰 263.1 물-공기 이상유동 가시화 263.2 물-공기 이상유동 패턴이 공기 흡입량에 미치는 영향 343.3 자흡식 벤츄리 노즐의 압력강하 424. 결 론 53참고문헌 54영문초록(Abstract) 63감사의 글
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