PIV를 이용한 멀티 홀 노즐에서 유량 균일도 측정 :Measurements and Analysis of Flow Rate Uniformity in a Multi-Hole Nozzle by PIV

김재우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김재우 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 성재용

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

PIV를 이용한 멀티 홀 노즐에서 유량 균일도 측정

김재우 2022.01 학위논문

2020

PIV를 이용한 반도체 증착용 멀티홀 노즐에서의 유량 분배 측정

김재우 , 성재용 한국가시화정보학회 학술발표대회 논문집 2020.11 학술대회자료

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본 연구에서 사용한 멀티 홀 노즐은 하나의 입구를 가지고 다수의 작은 홀로 유체를 배분하는 형태를 가진다. 모든 홀에서 유체를 균일하게 배분하는 것이 장비의 성능과 효율에 영향을 미치며 노즐의 몇 가지 형상을 바꾸는 것으로 유량 균일도를 높일 수 있다. 본 실험에서는 노즐의 말단을 개방하거나, 홀의 직경을 변화시켜 유량 균일도의 차이를 분석한다. 유량 균일도를 계산하기 위해 노즐의 각 홀에서 분사되는 유체의 유량을 계산하는 과정이 요구된다.
PIV 방법을 이용해 유체의 속력을 측정하고 이를 부피 적분하여 유량을 계산한다. 측면에 입구가 존재하므로 모든 홀에선 출구 각도가 생겨 비대칭 형상의 속력 분포를 보인다. 이를 부피적분하기 위해 비대칭정도를 분석하고 보완하여 실제 유량과 흡사한 근사 값을 계산한다. 고 에너지의 레이저 광에 의해 노즐의 표면에서 빛의 산란이 발생한다. 노즐의 표면에서 입자의 추적의 어려움이 있어 표면 이외의 좌표에서 유량을 계산하고 제트 유동 이론을 적용해 노즐 표면에서의 유량을 계산한다.
내부 단면이 일정하고 말단이 막힌 멀티 홀 노즐은 하류로 갈수록 관성에 의한 압력 상승에 의해 유량이 증가한다. 말단을 열면 하류의 유량이 감소하여 입구 유량과 유사해지기에 유량 균일도가 높아지나 말단이 과하게 열린 경우 오히려 입구에 비해 하류의 유량이 감소하여 유량 균일도가 낮아진다. 홀 직경이 증가할 경우 그 편차가 커진다. 난류가 아닐 경우 각 홀에서 분출되는 유체의 최대 속력은 유량에 비례하였으나 충분한 난류인 경우 홀에서 유량이 증가하여도 최대 속력은 균일하고 제트 반폭까지의 속력 분포가 다르다.
PIV 방법을 통해 표면 이외에서 얻은 속력 데이터를 이용해 제트 유동 이론식을 접목하여 표면에서의 유량을 계산하고 유량 균일도를 분석하였다. 이는 멀티 홀 노즐의 유량 균일도를 확인하기 위한 향후 연구에서의 실험적 분석 방법으로 활용 될 수 있을 것이라 사료된다.

This study is suggested multi-hole nozzle which has a single inlet and distributes the fluid into a number of small holes. Evenly distributing the fluid in all holes affects the performance and efficiency of the equipment, and the flow uniformity can be improved by changing a few shapes of the nozzle. In this experiment, the difference in flow rate uniformity is analyzed by opening ratio of the nozzle or changing thee diameter of the hole. In order to calculate the flow uniformity, a process of calculating the flow rate of the fluid injected from each hole of the nozzle is required.
The velocimetry of the fluid is measured using the PIV method, and the volume is integrated to calculate the flow rate. Since there is an entrance on the side, a departure angle is created in all holes, showing an asymmetrical velocity distribution. For volume integration, the degree of asymmetry is analyzed and supplemented to calculate an approximate value similar to the actual flow rate. Light scattering occurs on the surface of the nozzle by high-energy laser light. Since there is a difficulty in tracking particles on the surface of the nozzle, the flow rate is calculated at coordinates other than the surface, and the flow rate at the nozzle surface is calculated by applying the jet flow theory.
A multi-hole nozzle with a constant internal cross-section and a closed end increases the flow rate as it goes downstream due to pressure rise and inertia. When the end is opened, the downstream flow rate decreases and becomes similar to the inlet flow rate, thereby increasing the flow rate uniformity. As the hole diameter increases, the deviation increases. In the case of non-turbulent flow, the maximum speed of the fluid ejected from each hole is proportional to the flow rate. However, in the case of sufficient turbulence, the maximum speed is uniform even if the flow rate in the hole increases, and the velocity distribution up to half-width of the jet is different.
Using the velocity data obtained outside the surface through the PIV method, the flow rate at the surface was calculated by grafting the jet flow theory equation, and the flow rate uniformity was analyzed. It is thought that this can be used as an experimental analysis method in future studies to check the flow rate uniformity of multi-hole nozzles.

#PIV #Flow Rate #Multi-Hole Nozzle

요약 ⅰ
표목차 ⅲ
그림목차 iv
기호설명 v
I. 서 론 1
1. 연구의 배경 1
2. 노즐의 사용 분야 2
3. 선행 연구 6
4. 연구의 목표 8
II. 이론적 고찰 9
1. 제트 유동 이론 9
III. 실험 장치 및 실험 방법 12
1. 실험 장치 12
2. 실험 방법 16
3. 실험 변수 25
IV. 결과 및 고찰 26
1. 출구 각도 26
2. 유량의 신뢰도 확인 30
3. 유량 균일도 32
4. 최대 속력 35
V. 결 론 40
참고문헌 41
영문초록(Abstract) 43
감사의 글 45

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