투명노즐을 사용한 감압비등 내부유동측정 :Measurement of internal flow of flash boiling using transparent nozzle

차현우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 차현우 (경남대학교, 경남대학교 대학원)

지도교수: 이현창

발행연도: 2023

저작권: 경남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

투명노즐을 사용한 감압비등 내부유동측정

차현우 기계융합공학과 2023.01 학위논문

2022

레이저 드릴링 투명 단공노즐을 이용한 감압비등 분무에 대한 연구

차현우 , 강동현 , 이현창 대한기계학회 춘추학술대회 2022.11 학술대회자료

감압비등 내부유동 연구를 위한 투명 단공노즐의 설계와 제작

차현우 , 강동현 , 이현창 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2022.10 학술대회자료

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감압 비등은 대기압력의 끓는점보다 높은 온도로 분사될 때, 상변화에 의한 분열이 일어나는 것을 말하며 액체로켓엔진, 재생냉각에 의한 고온 유체연료의 분사, GDI엔진, 헤어스프레이 캔 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 액체의 상변화에 의한 팽창을 이용하여 분열하기 때문에 낮은 압력으로도 미세하고 고른액적을 얻을 수 있는 장점이 있으나 이를 제어하는데 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 투명노즐을 이용하여 내부유동의 가시화를 통해 감압비등의 특성을 파악하여 단점을 보완하고자 하였다. 투명노즐의 제작을 위해 선행연구를 참고하여 고온 분사에 적합한 재질로 유리를 선정하였고 2D 노즐과 원통형 유리 형태로 만든 원형 노즐로 나누어 가실험을 진행하였다. 가실험에서의 단점을 보완하여 석영 재질에 레이저 드릴링 기법을 이용해 직경 500 μm, 길이 4mm의 투명 노즐을 제작하였다. 실험장치를 이용하여 분사 시 고속카메라와 광원 램프를 이용하여 역광이미지를 300장 정도 촬영하여 후처리를 진행하였다.
실험을 통하여 과열도에 따른 분무 형상 변화를 관찰하였지만 실험을 진행할수록 물줄기의 표면이 거칠게 분사되었다. 현미경을 이용하여 투명 노즐 미세홀 입출구 근처에 원인으로 생각되는 이물질 테두리를 관찰하였다. 표면 조도에 의한 원인으로 생각되어 투명노즐을 반복 사용한 uLD와 여분의 노즐인 LD로 나누어 비교 분석 하였고 두 노즐의 분무 실험에서 과열도가 증가할수록 내부에서 기포핵이 생성되어 내부감압비등에서 완전감압비등으로 성장하는 과정을 관찰 할 수 있었다. 하지만 표면 조도에 의해 LD노즐의 내부에서는 소수의 큰 기포핵이 생성되어 나뭇가지 모양의 형태를 띄었고 uLD 노즐에서는 LD보다 이른 온도에서 내부감압비등으로 보이는 지그재그 형태의 외부 형상과 내부에서 다수의 작은 기포핵이 생성되는 차이점을 보였다. 이러한 외부유동과 내부유동의 관찰을 통해 과열도와 표면 조도가 분무 형상에 큰 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다.

Flash boiling is used in various fields such as liquid rocket engine, injection of high-temperature fluid fuel by renewable cooling, GDI engine, and hair spray can when injected at a temperature higher than the boiling point of atmospheric pressure. Since it is divided by using the expansion due to the phase change of the liquid, it is possible to obtain fine and uniform droplets even at low pressure, but it is difficult to control it. This study attempted to compensate for the shortcomings by grasping the characteristics of the decompression ratio through visualization of the internal flow using a transparent nozzle. For the production of transparent nozzles, glass was selected as a material suitable for high-temperature spraying by referring to previous studies, and an experiment was conducted by dividing it into a 2D nozzle and a circular nozzle made in the form of cylindrical glass. To compensate for the shortcomings of the experiment, a transparent nozzle with a diameter of 500 μm and a length of 4 mm was manufactured using a laser drilling technique on quartz material. When spraying using an experimental device, about 300 backlight images were photographed using a high-speed camera and a light source lamp, and post-treatment was performed.
Through the experiment, the change in spray shape according to the degree of overheating was observed, but as the experiment progressed, the surface of the water stream was sprayed roughly. The foreign body frame thought to be the cause was observed near the entrance and exit of the transparent nozzle microhole using a microscope. It was analyzed by dividing transparent nozzles into uLD and LD, which are extra nozzles, because it was thought to be caused by surface roughness. In the spray experiment of the two nozzles, bubble nuclei were generated inside as the overheating increased and grew from internal decompression ratio to complete decompression ratio. However, a small number of large bubble nuclei were generated inside the LD nozzle, resulting in a branch-like shape, and the uLD nozzle showed a difference between the external shape of zigzag, which appears to be an internal decompression ratio, and a large number of bubble nuclei inside. Through the observation of these external and internal flows, it was confirmed that overheating and surface roughness had a significant effect on the spray shape.

#감압비등 #과열도 #투명노즐 #가시화 #표면조도

Ⅰ. 서론 = 1
1. 1. 연구 배경 = 1
1. 2. 연구 동향 = 2
1. 3. 연구 목적과 내용 = 5
Ⅱ. 관련 이론 = 6
2. 1. 감압비등 = 6
2. 2. 기포 핵 생성과 성장 = 7
Ⅲ. 실험 방법 = 9
3. 1. 실험장치 = 9
3. 1. 1. 공정흐름도 및 실험절차 = 9
3. 1. 2. 유량 공급장치, 인젝터 바디, 가열장치 = 11
3. 1. 3. 투명노즐 = 13
3. 2. 측정장치 = 16
3. 2. 1. 카메라 셋업 = 16
3. 2. 2. 이미지 프로세싱 기법 = 18
3. 3. 실험조건 = 21
Ⅳ. 실험결과 = 24
4. 1. 과열도에 따른 감압비등 특성분석 = 24
4. 1. 1. 외부유동 관찰 = 24
4. 1. 1. 1. LD노즐의 외부유동 관찰 = 24
4. 1. 1. 2. uLD노즐의 외부유동 관찰 = 31
4. 1. 2. 주변 압력에 따른 과열도, 압력비 비교 = 38
4. 1. 2. 1. LD 투명 노즐에서의 = 38
4. 1. 2. 2. uLD 투명 노즐에서의 = 43
4. 2. 표면조도에 의한 감압비등 특성분석 = 47
4. 2. 1. 표면조도에 의한 외부유동 차이 분석 = 47
4. 2. 2. 기포핵 생성에 따른 내부유동 관찰 = 48
4. 3. 온도상승에 따른 LD 투명노즐 내부 기포핵 관찰 = 51
Ⅴ. 결론 = 53
5. 1. 결론 = 53
5. 2. 향후계획 = 55
참고문헌 = 56
ABSTRACT = 58

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