MILD 연소로에서 Coanda 노즐 효과를 이용한 배기가스 재순환에 관한 연구

하지수(Ji Soo Ha),심성훈(Sung Hoon Shim) 大韓環境工學會 2013 대한환경공학회지 Vol.35 No.12

질소산화물 저감에 큰 효과가 있는 MILD 연소는 고온의 배기가스가 연소로내에 유입되는 양에 따라 질소산화물 저 감 특성이 많은 영향을 받는다. 본 연구에서는 동심원관 형태의 MILD 연소로에서 바깥 원통의 배기가스 통로에서부터 안쪽 원통의 연소통로 사이에 연결관을 설치하고 배기가스를 유입하기 위해 coanda 노즐을 사용하였다. 이러한 coanda 노즐의 기 하학적 형상 변화에 따라 고압공기 유량, 배기가스 유입량 특성을 수치해석을 통해 살펴봄으로써 최적의 coanda 노즐 형상을 도출하는 것을 본 연구의 목적으로 하였다. 본 연구의 전산 해석의 결과는 conada 노즐의 노즐 통로 간격이 0.5 mm, 노즐 각도 4°, 노즐 확관 길이 146 mm일 때 최적의 유입량비가 되었고 노즐 통로 수직 길이는 유입량비에 무관하였다. A MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution) combustion, which is effective in the reduction of NOx, is considerably affected by the recirculation flow rate of hot exhaust gas to the combustion furnace. The present study used the MILD combustor, which has coaxial cylindrical tube. The outside tube of the MILD combustor corresponds to the exhaust gas passage and the inner side tube is the furnace passage. A numerical analysis was accomplished to elucidate the characteristics of exhaust gas entrainment toward the inner furnace with the changes of coanda nozzle geometrical parameters, nozzle passage gap length, nozzle passage length, nozzle angle and expansion length. The optimal configuration of coanda nozzle for the best entrainment flow rate was gap length, 0.5 mm, expansion angle, 4o and expansion length, 146 mm. The nozzle passage length was irrelevant to the exhaust gas entrainement.

분사반발력 감소를 위한 소방노즐의 내부형상 설계

민들레(Deul Le Min),조해용(Hae Yong Cho) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.8

소방노즐은 소방호스 및 수관에 연결하여 화재를 진압하는 소화용 기재로써 화재진압 시 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 많은 노즐 작업자들이 기존의 노즐을 통한 화재 진압 시 분사반발력으로 인하여 큰 애로사항을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 분사반발력을 줄이기 위한 노즐내부형상을 설계하고자 하였다. 소방노즐의 가장 효율적인 내부형상을 찾기 위해 유한요소해석을 진행하였고, 그에 따라 최종형상을 결정·제작하였다. 일반 소방노즐과 분사반발력감소를 위한 소방노즐 간의 분사반발력 크기의 정량적 비교를 위하여 실험 장치를 고안하여 실험하였다. 그 결과 새롭게 설계한 소방노즐에서 40A 소방노즐 대비 평균 19%, 65A 소방노즐 대비 평균 36%의 분사반발력이 감소되었음을 확인할 수 있었다. A fire nozzle is a device that is connected to the end of a fire hose to extinguish fires. However, users of conventional nozzles experience significant difficulties due to the repulsive force when spraying water to extinguish a fire. In this study, a new internal nozzle shape was designed to reduce such repulsive forces. Finite element analysis was conducted to determine the most efficient internal fire nozzle shape; based on the analysis, the final shape was established for manufacturing. An experimental device was manufactured to quantitatively compare and measure the reduction in repulsive forces between the conventional and newly designed fire nozzles. The experimental results confirmed that the newly designed nozzle reduces the spray repulsive forces by an average of 19% and 36% compared with the standard 40A and 65A nozzles, respectively.

붐식 스피드 스프레이어 개발을 위한 기초연구 (Ⅲ) - 노즐의 압력, 거리 변화에 따른 분무량 측정 -

최훤 ( Hwon Choi ),신창섭 ( Changseop Shin ),임학규 ( Hackkyu Lim ),김태한 ( Taehan Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

붐 방제기의 경우 붐에 노즐을 배치하여 작물에 근접한 위치에서 농약을 정밀 살포하며, 스피드 스프레이와 다르게 농약의 낭비를 줄일 수 있으며, 농약의 살포량을 제어하기 쉬운 장점이 있다. 붐식 스피드스프레이 개발을 위한 설계 인자를 도출하기 위한 사전인자 조사로 국내 시판되어지고 있는 노즐의 압력, 거리 변화에 따른 분무량을 측정하였다. 실험에 사용된 노즐은 A사에서 판매되고 분무경이 다른 5가지 노즐과 Disk 타입의 노즐 1종을 사용하였다. 압력은 스피드 스프레이에서 사용되어지는 분무압으로 0.5, 1, 1.5, 2 MPa로 변화시켰으며, 거리는 0.3, 0.6, 0.9, 1.3, 1.5 m로 하여 측정하였다. 측정결과 압력 0.5MPa에서 최대거리 1.5 m까지 약제가 도달하는 노즐은 D-6, D-7 노즐과 Disk 타입의 노즐이었으며, 그 외의 노즐은 분무량이 미미하였다. D-6 노즐의 분무량은 71.1 g/min, D-7 노즐은 144 g/min, Disk 타입 노즐은 229.2 g/min이다. 최대 압력 2 MPa에서 최대 거리 1.5m까지 도달하는 노즐은 D-6, D-7 노즐과 Disk 타입의 노즐이었으며, D-6 노즐의 분무량은 105.9 g/min, D-7 노즐의 분무량은 213.1 g/min, Disk 타입 노즐의 분무량은 334.6 g/min이다. 따라서 압력만을 이용하여 노즐에서 과수의 최대거리까지 많은 양의 약제를 보내야 하는 부분에서는 D-7 노즐과 Disk 타입의 노즐을 사용하여야 할 것으로 판단된다.

노즐 오리피스 형상에 따른 Discharge Coefficient와 Cavitation에 관한 실험적 연구

김성열(Sung Ryoul Kim),구건우(Kun Woo Ku),홍정구(Jung Goo Hong),이충원(Choong Won Lee) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.10

본 연구는 타원형 노즐과 원형 노즐 내부에서 발생되는 cavitation의 발생 및 성장을 실험적으로 관찰하였다. 원형 노즐과 타원형 노즐의 cavitation 특성을 가시화 하기위해 투명한 아크릴로 노즐을 제작하였다. 실험에 사용된 노즐들은 같은 단면적으로 제작되었으며, 타원형 노즐의 경우 형상비(a/b)를 다르게 하였다. 분사압력의 증가에 따라 노즐내부 유동은 no cavitation, cavitation, hydraulic flip 영역으로 나뉘어졌다. 노즐의 형상에 상관없이 no cavitation과 cavitation 영역에서는 분사압력의 증가에 따라 유량은 증가하며, 유출계수는 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 hydraulic flip 영역에서의 유량계수는 일정한 값을 나타냈다. 타원형 노즐은 원형 노즐에 비해 높은 cavitation number에서 cavitation이 성장, 발달하였다. 특히 타원형 노즐에서는 장축의 cavitation length가 단축보다 길게 나타났다. The purpose of this study is to investigate the generation and development of cavitation in circular and elliptical nozzles. In order to investigate the influence of cavitation, the experiment was conducted with a set of elliptical nozzles that had the same cross-sectional area, different orifice aspect ratios (a/b). Each nozzle was made of acrylic so that visualization was possible. With the injection pressure, the internal flow of the nozzle was classified into the no-cavitation, cavitation, and hydraulic-flip regions. Regardless of the nozzle geometry, with the injection pressure, the flow rate in the no-cavitation and cavitation regions increased and the discharge coefficient decreased. However, the flow rate was constant in the hydraulic-flip region. In the elliptical nozzles, the generation and development of cavitation occurred at higher cavitation number than that in the case of a circular nozzle.

신개발 AI노즐을 활용한 드론 방제기의 포장 적응 특성 분석

유승화 ( Seung-hwa Yu ),김영근 ( Young-keun Kim ),최덕규 ( Duck-kyu Choi ),우제근 ( Jea-keun Woo ),강영호 ( Young-ho Kang ),이지근 ( Jee-keun Lee ),최용 ( Yong Choi ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

드론은 2010년대에 들어서 급격하게 기술 발전을 이루어 농업에서 농작물 생육 모니터링과 방제용으로 아주 유용하게 사용하고 있다. 이 중 방제용 드론은 빠르게 보급되고 있지만 대부분의 방제용 드론은 멀티로터의 특성에 따른 분무장치의 약액 비산 특성을 고려하지 않아 영농현장에서 드론 방제 작업 시에 농약이 비산되어 방제 효과를 저하하는 원인이 되었다. 이와 같은 문제를 개선하고자 국립농업과학원에서는 드론에 사용이 적합한 노즐을 10여종 선발하였고, 비산을 최소화하고자 비산저감형 AI(Air Induction)노즐을 개발하였다. 또한 드론에 장착된 분무시스템을 개선하여 드론 멀티로터의 하향풍 기류 영향을 극대화하고자 노즐 위치, 분사압력, 비행속도, 비행고도 등의 기준을 마련하였다(국립농업과학원, 2020). 이에 본 연구에서는 드론 방제 적합하게 개발된 비산저감형 AI노즐과 최적화한 분무시스템을 장착한 드론 방제기를 이용하여 벼와 콩을 대상으로 농약 살포 성능 시험을 통해 현장 적응성을 제시하고자 하였다. 본 실험에서 사용한 신개발 AI노즐의 특성은 노즐에서 분사되는 물방울 형태의 분무 액적에 공기를 주입하여 공기방울로 만든 것으로서 비산억제 및 부착률을 향상시킨 것이다. 이 AI노즐의 액적 크기는 약 340μm로 관행 XR노즐(약 150μm)의 2.3배이며, 분당 살포량은 관행과 동일(0.6~0.7 LPM)하다. 즉, AI노즐에서 분사되는 액적의 표면적을 약 4배 크게 함으로써 측면풍의 공기저항을 키우고 드론 하향풍에 크게 작용하여 비산을 억제하는 특성을 가지고 있다. 또한 분무시스템은 ASABE S572.1을 기준으로 분사압력 40 psi(2.76bar)로 적용하였으며, 분사각은 110°, 비행속도 2~3m/s, 고도 2m 내외, 노즐 위치는 모터 하향 30cm로 기준 설정하였다(YU, et. al., 2020). 현장 적응 시험은 전북 김제 소재 벼 포장 40a와 콩 포장 40a에서 실시하였으며, 비행 속도에 적합하게 농약 희석 비율을 구명하고, 관행 노즐 대비 신개발 AI노즐에 대해 작물 초장 높이별(상, 중, 하) 분무 약액의 침투 경향을 비교 분석하였다. 분석한 결과, 농약 희석비율에 따라 드론 방제 속도는 1:8(5.6m/s), 1:16(2.9m/s), 1:24(2m/s), 1:32(1.5m/s)로 분석되었다. 이 결과로 보아 2~3m/s의 비행 속도로 드론 방제하기 위해서는 1:16 또는 24 비율로 희석하여 야 한다. 작물 초장 높이별 약액 침투 경향을 상단부 피복도를 기준으로 분석한 결과, 중단부는 52.7%, 하단부 34.4%로 나타났으며, 각 위치별 신개발노즐 대비 관행 노즐의 피복도가 상단부 30.7%, 중단부 28.3%, 하단부 37.3%로 나타나 신개발 노즐이 작물의 초장 하단까지 농약 침투성능이 높다는 것을 알 수 있었다.

비원형 Effervescent Type 이유체노즐의 Discharge Coefficient에 관한 실험적 연구

이상지(Sang Ji Lee),박형선(Hyung Sun Park),홍정구(Jung Goo Hong) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

본 연구는 비원형 Effervescent Type 이유체 노즐의 분사 특성을 조사하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 거의 동일한 노즐 출구 면적으로 가공한 2종류의 비원형 노즐 (E1, E2)과 1종류의 원형 노즐 (C)을 대상으로 비교 실험을 진행하였다. 이때 노즐에 장착된 Aerorator는 노즐 출구 면적과의 Aspect Ratio를 맞추기 위해 지름이 다른 3종류를 사용하였다. 따라서 각 노즐마다 3가지의 Aspect Ratio에 따라 3번의 실험을 진행하였으며, 전체 총 9종의 실험이 진행되었다. 실험은 Liquid의 유량을 고정시킨 후, 유입되는 Air의 양을 제어하며 진행하였으며, 노즐 내부 압력과 액적의 크기(SMD)를 측정하고 노즐에서 분사 이미지를 촬영하였다. 이를 통해 3종의 노즐의 유량 계수를 압력 분무 방정식과 Jedelsky 방정식을 비교 계산하였고, Jedelsky 방정식이 약 4배 정도 더 큰 값을 갖는 것을 확인하였다. 노즐에서 분사되는 SMD는 원형보다 비원형에서 더 작은 값을 갖는 것으로 나타났으며, 이는 유량 계수 값의 차이 의해 야기된 것으로 예상된다. An experimental study was carried out to investigate the injection characteristics of non-circular effervescent type twin-fluid nozzles. For this purpose, two types of non-circular nozzles (E1, E2) and one kind of circular nozzle (C) were used. At this time, the Aerorator mounted on the nozzle used three different diameters to match the aspect ratio with the nozzle exit area. Therefore, experiments were performed according to three aspect ratios for each nozzle, and a total experiments were conducted. Experiments were carried out by controlling the amount of air flowing after fixing the flow rate of the liquid, and the nozzle internal pressure and SMD were measured, and the jet image was taken from the nozzle. The discharge coefficients of the three kinds of nozzles were compared with the conventional equation and the Jedelsky’s equation, and the Jedelsky’s equation was found to be about 4 times larger. The droplet size (SMD) injected from the nozzle was found to be smaller in the non-circular shape than in the circular shape, which is expected to be caused by the difference of the discharge coefficient values.

선형 오일러 방정식을 이용한 노즐의 연소불안정 감쇠 효과 평가

김준성,문희장 한국추진공학회 2019 한국추진공학회지 Vol.23 No.6

The wave motion inside the nozzle is known as one of the major damping elements of the rocket’s combustion instability by it’s aeroacoustic effects that result from the flow passage through the nozzle throat. These effects can be quantitatively evaluated by the nozzle admittance. In this study, one-dimensional linearized Euler equation was adopted to calculate the nozzle admittance, and trend analysis was performed depending on the nozzle’s main design variables. As a result, when nozzle converging part shortens, it is verified that the frequency dependency of the nozzle admittance is decreased due to the widened frequency range with lowered longitudinal nozzle admittance. Also, admittance estimation using the short nozzle theory is not appropriate when the first tangential mode of the pressure perturbation arises. 노즐 내 파동은 노즐목을 빠져나가는 유동의 공력음향학적인 효과로 인해 연소불안정을 감쇠시키는 주요 요소 중 하나로 알려져 있다. 이와 같은 효과는 노즐 어드미턴스라는 지표를 통해 정량적으로 평가가 가능하다. 본 연구에서는 현재까지 로켓 연소불안정 억제에 가장 효과적인 노즐감쇠(nozzle damping)와 연계된 노즐 어드미턴스를 구하는 여러 기법을 소개한다. 이중, 가장 널리 알려진 1차원 선형 오일러 방정식을 도입하여 노즐의 주 설계 변수에 따른 노즐 어드미턴스의 경향을 분석하였다. 분석 결과, 노즐 수축부 길이가 짧아질수록 축방향 노즐 어드미턴스의 값이 낮게 나타나는주파수 영역대가 확장되므로 짧은 노즐일수록 주파수 의존성을 줄인다는 기존 이론을 검증하였다. 또한, 짧은 노즐 이론을 통한 어드미턴스 예측은 1차 접선방향 압력 섭동에는 적합하지 않음을 알수 있었다.

고도 보정용 확장-굴절(E-D) 노즐의 국외 연구 동향

문태석(Taeseok Moon),박상현(Sanghyeon Park),최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.10

E-D 노즐은 고도에 따라 노즐 내의 유효 면적을 변화시켜 고도 보정 효과를 통해 성능 이득을 가지는 노즐이다. E-D 노즐은 노즐의 길이를 절감시켜 발사체의 탑재중량이득을 얻을 수 있다고 알려져 있는데, 이러한 E-D 노즐의 장점과 잠재적인 가능성 때문에 영국, 독일, 호주, 유럽 등에서 관련된 연구가 수행되었다. 영국의 경우 E-D 노즐의 유동 특성과 고도 보정 노즐 중 듀얼 벨 노즐과의 성능 비교 연구를 수행하였고, DLR에서는 E-D 노즐의 천이 특성을 파악하기 위해 노즐 압력비 변화에 따른 천이 특성을 중점적으로 분석하였다. 유럽에서는 실제 발사체 Ariane 5 ESC-B 상단에 E-D 노즐 개념을 적용한 수치적 연구를 수행하여 노즐 길이 절감에 따른 탑재중량이득 가능성을 확인하였다. 본 논문에서는 국외에서 수행한 E-D 노즐의 연구 동향을 특징 별로 분류 및 분석하였고, 향후 E-D 노즐 연구의 기초 자료로 활용하고자 한다. The Expansion-Deflection(E-D) nozzle is a nozzle that has a performance gain through the altitude compensation effect by changing the effective area within the nozzle according to the altitude. An E-D nozzle has been known to reduce the length of the nozzle and achieve the payload gain of the launch vehicle. Due to the potential advantages of an E-D nozzle, related research has been carried out in the United Kingdom, Germany, Australia and Europe etc. In the UK, the flow characteristics of the E-D nozzle and the performance comparison with the dual-bell nozzle which is altitude compensation nozzle were studied. In order to understand the transition characteristics of the E-D nozzle in DLR, the transition characteristics according to the nozzle pressure ratio change were analyzed. In Europe, numerical study using the E-D nozzle concept on upper stage of the launch vehicle Ariane 5 ESC-B was carried out to confirm the possibility of payload gain according to the nozzle length reduction. In this paper, research trends of an E-D nozzle performed outside the country are classified and analyzed according to their characteristics and utilized as basic data of E-D nozzle research in the future.

NOVEC가스 소화설비용 노즐 형상 설계에 대한 수치해석

윤정인,정경국,김지성,김성윤,노범석,최재혁 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.7

Clean fire extinguishing agents refer to chemical that can replace Halon 1211 and Halon 1310 according to the Montreal Protocol fermented to protect the Earth's ozone layer. In Korea and abroad, system standardization and performance evaluation of clean fire extinguishing agents are being carried out. This paper proposes an optimal nozzle shape by modeling and numerical analysis of various nozzle shapes based on general clean fire extinguishing system. The ejection speed of the nozzle can be improved by studying three - dimensional modeling of the nozzle for two shapes, Type A and B. Flow analysis was performed on the two types of nozzles and the gas velocity and pressure distribution were measured with different nozzle diameters. It was confirmed that the jetting speed was changed at the nozzle outlet according to the number and diameter of the nozzle holes. The flow rate increased with increasing the pressure regardless of the nozzle hole diameter. Based on the results obtained from the experiment, the K-factor value was deduced. Finally, a nozzle with a 12-hole structure with a 5-mm nozzle hole was proposed. 청정소화약제는 지구오존층 보호를 위해 발효된 몬트리올 의정서에 따라 할론 1211 및 할론 1310을 대체할 수 있는 약제를 말한다. 국·내외적으로는 청정소화약의 시스템 표준화와 성능평가가 수행되고 있다. 본 논문은 일반적인 청정소화약제 시스템을 바탕으로 다양한 노즐의 형상에 대한 모델링 및 수치해석을 수행하여 최적의 노즐 형상을 제안하였다. Type A와 B의 2가지 형상에 대한 노즐의 3차원 모델링을 통해 노즐의 분출속도가 개선될 수 있도록 하였다. 2가지 형상의 노즐에 대하여 유동해석을 실시하였으며 노즐의 홀 직경을 다르게 하여 가스속도 및 압력분포를 측정하였다. 측정결과 노즐 홀 수 및 직경에 따라 노즐출구에서 분출속도가 달라지는 것을 확인할 수 있었으며 노즐 홀 직경에 관계없이 유량은 압력이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 실험을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 노즐 직경이 5mm인 경우의 K-factor값이 101.8l/min·bar^-0.5임을 확인하였으며, 최종적으로 노즐 홀 5mm인 12개의 홀이 2층 구조로 되어있는 형상의 노즐을 제안하였다.

드론 방제기의 분사압력 변화에 따른 노즐 분무특성 분석

유승화 ( Seung-hwa Yu ),최덕규 ( Duck-kyu Choi ),김영화 ( Young-hwa Kim ),최일수 ( Il-su Choi ),우제근 ( Jea-keun Woo ),전현종 ( Hyeon-jong Jun ),이상희 ( Sang-hee Lee ),최용 ( Yong Choi ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

농업용 드론은 2010년대 초반 이후 우리나라 농업에서 농약 살포용으로 아주 유용하게 사용하고 있다. 하지만 대부분의 드론용 분무장치는 약액의 비산을 고려하지 않아 드론 방제에 적합한 기준 설정이 필요하다. 이에 본 연구에서는 농약 살포용 드론의 분무압력에 따른 분무각, 분사량과의 상관성을 분석하여 영농 현장에 적합한 분무 기준을 제시하고자 하였다. 분무 각 등을 측정하기 위하여 액체 공급부, 분사노즐 시스템, 분무 이미지 획득 장치 및 제어시스템으로 구성된 2차원 PIV시스템(TSI Co.)을 이용하였다. 이 실험 장치는 제어시스템으로 정밀하게 제어하며 수집된 분무 이미지는 화상해석시스템으로 분석하여 분무의 거시적 특성(분사량, 분무각 등)을 정량적으로 조사하였다. 분무 각은 노즐 출구를 기준으로 액막 분열이 일어나기 전까지의 각도로 정의하였으며, 노즐의 성능 평가를 위해 제조사에서 제공하는 분사량과 실제 분사량의 차이를 검증하였다. 농용 노즐의 경우 ASABE S572.1 지침으로 분사압력 40 psi(2.76bar)에서 분사량을 노즐 팁 color code형태로 제공하고 있다. 이 컬러코드를 기초로 분사압력 변화에 따른 노즐 분사량을 살펴보면, 시험한 노즐 중TX 계열 1종과 TP계열 2종 등 총 3종의 노즐이 예상 분사량인 0.067 GPM(0.25 LPM) 보다 약간 작은 분사량을 나타내었다. 나머지 노즐을 노즐 형상에 관계없이 예상 분사량과 유사한 값을 나타내었으며, 분사량은 분사압력의 0.5승에 비례하여 증가하였다. 분사압력 변화별 수집한 분무이미지를 분석하여 분무각을 측정한 결과, XR계열 노즐의 분무각을 살펴보면 40psi에서 제시한 분무각보다 10% 정도 큰 결과를 나타었으나, hollow cone 분무 구조를 갖는 TX계열 노즐은 분무 변화 편차가 매우 크게 나타났다. TP계열 노즐의 분무각은 다소 편차가 있지만 제조사에서 제시한 분무각(80° 및 110° at 40 psi)과 가장 잘 일치하였다. AI계열 노즐의 경우 분사량에 따라 차이를 나타내고 있으며, AI11002-VS 노즐의 경우 제조사에서 제시한 110° 분무각과 일치하게 나타내었다. 이 결과를 종합하면, 노즐의 분사압력에 따라 분무구조가 변화하여 분무각, 분사량 등에 차이가 있다. 이에 따라 노즐의 종류, 사용 개수, 약액 종류 등에 따라 노즐에 가해지는 압력을 일정하게 유지하기 위한 장치를 설치하는 것이 적합하다고 판단된다.