바이오디젤 연료 액적의 분열 및 충돌에 관한 실험 및 이론적 연구

Abstract

본 논문에서는 물리적 특성이 다른 액체 연료의 단일 액적의 공기역학적 분열과 두 액적 간의 충돌과정을 실험적으로 연구하여 분열모드 및 충돌 거동특성을 여러 가지 유동조건에 대하여 비교한 것이다. 본 연구에서는 공기와 액적의 상대속도의 변화와 공기 횡단장의 범위에 따른 액적의 분열 거동을 확인하기 위하여 고배율 마이크로스코프와 카메라, 그리고 스파크 광원을 사용하여 액적 거동과 두 액적간의 충돌에 따른 액적들의 움직임을 연속으로 촬영할 수 있는 고속카메라 시스템을 이용하여 두 액적간의 충돌 과정을 가시화 하였다. 실험은 직경이 4mm인 노즐을 이용하여 디젤연료와 바이오 디젤연료의 단일 액적의 공기역학적 분열 거동을 분석하였다. 일반적으로 액적의 분열 과정은 크게 1차 분열 과정과 2차 분열 과정으로 나뉘어지고 있다. 특히 디젤연료와 바이오 디젤연료의 분무를 연료분사조건과 공기 유동장 조건에 대하여 액적의 분열 과정을 bag 분열, distorting & bag 분열, stretching & thinning 분열, 그리고 catastrophic 분열기구를 관찰하고, 이들 분열거동을 여러 가지 분사조건에 대하여 비교, 분석하였다. 또한 각 분열 구간에 대하여 상대속도와 웨버수(We)를 이용하여 구분하였다. 여기서 액적의 최대 변형률과 낙하거리는 디젤연료가 바이오 디젤연료에 비해 큰 것을 확인 할 수 있었다. 이는 바이오 디젤연료의 높은 점성력과 표면장력에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 두 액적간의 충돌실험에서는 동일한 크기의 액적을 충돌시켰을 경우 증류수, 에탄올, 에탄올수용액 50%, 디젤연료, 바이오 디젤연료의 액적의 충돌 거동을 가시화하고 그 특성을 분석하였다. 또한 액적 충돌 거동은 액적간의 충돌 각도 및 충돌 상대 속도의 지배적인 영향을 받게 되므로 충돌변수와 연료의 물성이 액적의 충돌 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 그리고 액적간의 충돌이 발생할 때 액적의 충돌 기구는 액적의 상대속도와 충돌각도에 의해 결정된다. 본 실험에서는 흡착 (coalescence), 리플렉시브 분리(reflexive separation), 스트레칭 분리(stretching separation), 반발(bouncing)등의 4가지 분열기구를 확인 할 수 있었다. 충돌변수와 무차원수인 웨버수로 충돌 기구의 발생 구간을 비교한 결과 연료의 종류에 상관없이 웨버수로 정의된 영역에서는 거의 일정한 충돌변수의 분포를 나타내는 것이 확인 되었다. 이 결과로부터 액적 충돌 기구를 지배하는 가장 결정적인 연료의 물성은 표면장력인 것을 확인 할 수 있었다.; The objective of this study is to investigate the breakup characteristics of droplet in extended air cross-flow field and to study the mechanisms of binary droplet collision. In first study, the breakup characteristics of droplet were investigated with two fuels, diesel and soybean oil methyl ester in extended air cross-flow field. In order to obtain the digital images of the droplet behavior, the experimental apparatus was composed of the droplet generator and the droplet visualization system. The monodisperse droplets were produced by using the vibrating orifice according to the Rayleigh’s theory. The visualization system consists of a long distance microscope, a spark lamp, and a digital camera. The air cross-flow field was made by air nozzle. Previous researches used an air nozzle with diameter of 2mm. But in this condition, the exposure time to air flow field is not enough for a droplet to be fully deformed, because the penetrating length through the air flow is too short. Therefore in this study, the air nozzle with diameter of 4mm was used. In second study, the mechanisms of binary droplet collision were studied with diesel, ethanol, ethanol50%, biodiesel and purified water. The droplet collisions of liquid droplet have been investigated for the same droplet diameter. In order to obtain the digital images of the droplet collision behavior, the experimental equipment was composed of the droplet generating system and the droplet visualization system. The droplets were produced by the vibrating orifice monodisperse generator. The visualization system consisted of a long distance microscope, a light source, and a high speed camera. The outcomes of binary droplet collision can be divided into four regimes, bouncing, coalescence, reflexive separation and stretching separation. The impact angle and the relative velocity of binary droplet are main parameters of collision phenomena, so the transition mechanism of droplet collision can be divided by the impact parameter.