고압분사 시 노즐 형상이 미립화 특성에 미치는 영향에 관한 수치적 연구

Abstract

In high-pressure injection, the nozzle shape has a significant influence on the cavitation in a nozzle and atomization characteristics. In this study, in order to predict the fluid flow and atomization behaviors of the nozzle with various values of A_(c)/A and L/D and to quantify the effects of A_(c)/A and L/D on the fluid flow and atomization characteristics, numerical investigations on the three-dimensional unsteady compressible flow have been performed using computational fluid dynamics (CFD) code STAR-CD. The injection velocity and cavitation in the nozzle are modeled using a modified MPI model. The atomization characteristics are analyzed with a hybrid breakup model: Huh's model for primary breakup and Reitz and Diwakar model for secondary breakup. To verify the validity of the numerical model, the present results are compared with previously published experimental data. As the values of A_(c)/A and L/D increase, the injection velocity decreases. For the nozzle with various values of A_(c)/A and L/D considered in this study, cavitation has not occurred in the nozzle at the injection velocity below approximately 245.4 m/s. As the values of A_(c)/A and L/D decrease, the efficiency of atomization increases by widening the spray plume. However, the effect of L/D on the atomization in high-pressure injection is negligibly small due to high injection velocity.; 고압 분사 시 노즐의 형상은 미립화 특성을 결정하는 중요한 설계 인자이다. 액적의 미립화 현상은 액주에서 액적이 떨어져 나가는 1차 분열과 떨어져 나간 액적이 미세한 액적들로 재분열되는 2차 분열 과정으로 이루어져 있다. 노즐 출구에서 분사되는 액주가 가진 난류 운동 에너지는 초기 섭동을 유발하며, 이는 1차 분열을 일으키게 된다. 이때 노즐의 형상은 난류 유동 특성을 결정하므로 미립화 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 노즐 형상(수축부 길이와 노즐 출구 직경의 비, 수축부 전단에 위치한 버블 사이의 단면적과 노즐 출구의 면적 비)에 따른 작동 유체의 난류 유동 및 미립화 특성을 수치적으로 예측하였다. 또한 노즐의 형상 변화가 액적의 침투길이 및 SMD에 미치는 영향을 분석 및 정량화함으로써 노즐 설계에 있어 기초적인 설계 자료를 제공하고자 한다.