디젤분무의 분열과정에 대한 수치해석 연구

염정국(Jeong Kuk Yeom),정우성(Woo Sung Jung) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.12

유체의 고압유동은 여러 산업현장에 활용되고, 특히 그 중 내연기관의 연료분사 인젝터가 대표적이며 디젤엔진의 커먼레일 시스템의 경우 1000bar 이상의 압력이 사용된다. 이와 같이 고속으로 분출되는 유체유동의 경우, 노즐을 통해 분사되는 고속의 유체는 주위기체와의 상호작용으로 분열과정을 거치게 된다. 이 분열과정은 연소실 혼합기형성기과정에 영향을 주게 되며, 그 결과 엔진의 연소상태에 까지 영향을 미치게 된다. 따라서 연료분무의 분열과정에 대한 해석은 중요하며, 본 연구에서는 연료분무의 분열을 위한 수치해석 서브모델로 Reitz&Diwakar 및 CAB(Cascade atomization and breakup)모델을 사용하였다. 본 연구의 목적은 분사된 분무의 분열과정의 정확한 해석이며, 분사연료의 분열발생 형태의 빈도 등을 조사하였다. 결과로서 본 연구는 상용 CFD 프로그램(CFX)을 이용하여 디젤분무의 분열과정해석을 위한 적합한 분열모델을 제안한다. High-pressure flows are ubiquitous in many industrial fields. A representative application is fuel injection using a common-rail control system in diesel engines, where the injection pressure in the injector exceeds 1000 bar. In high-speed injection, the fluid injected through the nozzle undergoes breakup owing to the interaction with the ambient gas. The breakup process influences mixture formation, which in turn influences combustion in diesel engines. Therefore, it is very important to analyze the breakup process of fuel spray. The Reitz and Diwakar model and cascade atomization and breakup (CAB) model were used in this study as sub-models for the numerical analysis of the breakup process of fuel spray. This study aims to precisely analyze the breakup process of spray and to investigate the breakup frequency of the injected fuel. Consequently, it proposes a suitable sub-model for analyzing the breakup process of a diesel spray by using CFX, a commercial CFD program.

고압분위기에서 충돌제트로 형성되는 액막의 분열특성

정기훈 ( Ki Hoon Jung ),길태옥 ( Tea Ock Khil ),임병직 ( Byoung Jik Lim ),윤영빈 ( Young Bin Yoon ) 한국분무공학회 2004 한국액체미립화학회지 Vol.9 No.4

N/A Breakup characteristics of liquid sheets formed by the impingement of two water jets, such as a breakup length and a breakup wavelength of sheet, were investigated as increasing the injection velocity up to 30m/s and the ambient gas pressure up to 4.0㎫. While round edged orifices formed a laminar sheet which has no waves on the sheet when the injection velocity is low, sharp edged orifices formed a turbulent sheet which has impact waves irrespective of the injection velocity. Thus we compared the differences of breakup characteristics between them. The results showed that the aerodynamic force significantly affects the breakup of laminar sheet when the gas based Weber number is higher than unity. It was also found that the turbulent sheets have three breakup regimes, i.e. expansion regime, wave breakup regime and catastrophic breakup regime according to the gas based Weber number.

LES 해석에서 액체제트의 분열에 대한 확률론적 분열 모델링 비교

유영린(YoungLin Yoo),성홍계(Hong-Gye Sung) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.6

난류 유동장으로 분사되는 두가지 형태의 액체 제트 (수평분사는 디젤연료와 수직분사는 물)의 액주 분열과 미립화 현상에 관한 이상(Two-phase) 유동에 대해 3차원 LES 수치해석을 수행하였다. 기체상태의 공기 유동은 오일러리안 해법을 사용하고, 액체 제트의 액적 추적은 라그랑지안 해법을 사용하여 기체-액체간 이상유동 해석을 수행하였다. 두 종류의 확률론적 분열 모델(Stochastic breakup model)을 사용하여 액적 분열을 모사하였으며, 액체제트의 침투깊이와 액적 분포(Sauter Mean Diameter)를 실험결과와 비교하여 미세하게 분열되는 액체 제트의 분열 현상에 대해 확률론적 분열 모델링의 적합성을 제시하였다. A three-dimensional two-phase large eddy simulation(LES) has been conducted to investigate the breakup and atomization of liquid jets such as a diesel jet in parallel flow and water jet in cross flow. Gas-liquid two-phase flow was solved by a combined model of Eulerian for gas flow and Lagrangian for a liquid jet. Two stochastic breakup models were implemented to simulate the liquid column and droplet breakup process. The penetration depth and SMD(Sauter Mean Diameter) were analyzed, which was comparable with the experimental data.

고압환경에서 스월 인젝터의 분무 및 분열특성

김동준(Dongjun Kim),임지혁(Ji-Hyuk Im),길태옥(Taeok Khil),한풍규(Poonggyoo Han),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.7

분사조건과 주위기체 압력에 따라 스월 인젝터의 분무각과 분열길이를 측정함으로써, 스월 인젝터의 분무 및 분열특성에 대한 연구를 수행하였다. 분사조건으로 축방향 We 수(We₁)를 1554까지 주위기체 압력을 4.0㎫까지 증가시켰다 We₁과 주위기체 밀도(ρ)가 증가함에 따라 공기역학적 힘이 증가하여 원추형 액막 표면의 교란이 증가하게 되고, 따라서 분열이 빨리 일어난다. 결과에 따르면 주위 기체 밀도에 따른 분무각의 변화가 분열이 일어나기 전과 후가 다르게 나타났다. 분열이전에는 분무각이 주위기체 밀도 변화에 관계없이 거의 일정하였으나, 분열이 일어나게 되면 분무각이 감소하게 된다. 또한 측정된 분열길이를 선형불안정이론과 비교해 보았는데, 액막두께의 감쇠를 고려한 수정된 이론이 측정 결과와 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있었다. The spray and breakup characteristics of swirling liquid sheet were investigated by measuring the spray angle and breakup length as the axial Weber number We₁ was increased up to 1554 and the ambient gas pressure up to 4.0㎫. As We₁ and ambient gas density increased, the disturbances on the annular liquid sheet surface were amplified by the increase of the aerodynamic forces, and thus the liquid sheet disintegrated near from the injector exit. The measured spray angles according to the ambient gas density were different before and after the sheet breaks. Before the liquid sheet breaks, the spray angle was almost constant, but once the liquid sheet started to breakup, the spray angle decreased. And the breakup length decreased because of the increase of the aerodynamic force as the ambient gas density and We₁ increased. Lastly, the measured breakup length according to the ambient gas density and We₁ was compared with the result by the linear instability theory. We found that the corrected linear instability theory considering the attenuation of sheet thickness agrees well with our experimental results.

액체제트의 분열과 미립화에 대한 확률론적 분열 모델링과 LES 해석

유영린(YoungLin Yoo),전혁수(Hyuk-Soo Jeon),박철현(Chul-Hyun Park),성홍계(HongGye Sung) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

난류 유동장으로 분사되는 두가지 형태의 액체 제트 (수평분사는 디젤연료와 수직분사는 물)의 액주 분열과 미립화 현상에 관한 이상(Two-phase) LES를 수행하였다. 기체상태의 공기 유동은 오일러리안 해법을 사용하고, 액체 제트의 액적 추적을 위하여 라그랑지안 해법을 사용하여 기체-액체간 이상유동 해석을 수행하였다. 두 종류의 확률론적 분열 모델(Stochastic breakup model)을 사용하여 액적 분열을 모사하였으며, 액체제트의 침투깊이와 액적 분포(Sauter Mean Diameter)를 실험결과와 비교하여 확률론적 모델링의 적합성을 제시하였다. A two-phase large eddy simulation(LES) has been conducted to investigate the breakup and atomization of liquid jets, diesel and woter, in parallel or cross turbulent flow. Gas-droplet two-phase flow was solved by a coupled Eulerian-Lagrangian method which tracks droplet particles. A stochastic breakup model is implemented to simulate the liquid column and droplet breakup process. The penetration depth and SMD(Sauter Mean Diameter) is analyzed along the jet downstream, which are comparable with the data of experiment.

음향가진을 이용한 횡단류 액체제트 분열특성 연구

송윤호(Yoonho Song),황동현(Donghyun Hwang),왕가흠(Kexin Wang),안규복(Kyubok Ahn) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

본 연구는 횡방향으로 유입되는 공기유동에 음향가진을 주었을 때, 액체 제트의 액적 분열과 액주 궤적에 어떠한 영향을 미치는지 파악하고자 하였다. 이를 위해서 단공 노즐을 이용하여 동일 횡단류 공기유동 속도와 서로 다른 액체 분사압력에 따라 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 가진 주파수는 320 Hz로써, 주파수 기준 12개의 위상각에서 이미지를 얻기 위해 고속카메라의 trigger rate를 3,840 Hz로 설정하였다. 액주의 궤적과 분열길이는 분사기와 연소기를 설계하는데 있어 가장 중요한 요소이기 때문에, 앞서 얻은 분무 이미지를 바탕으로 궤적과 분열길이를 분석하였다. 횡방향에서의 공기유동에 가진 할 경우, 가진 하지 않았을 때 보다 전체적으로 x, y 방향에서의 액적 분열을 촉진 시키는 결과를 볼 수 있었다. 동일한 분사압력에서 위상각에 따른 분열길이를 보면, 각각의 위상각에서 주기적인 형태의 분열길이는 확인되지 않았지만 전체적으로 분열길이가 감소한 것을 볼 수 있었다. Effects of acoustic forcing on the spray characteristics of liquid jet in subsonic crossflow were experimentally studied. By changing injection pressure at a fixed velocity of subsonic crossflow, liquid column breakup lengths/trajectories, which were believed to be important for designing injector and combustor, were measured using a high-speed digital camera. The test section is excited by an acoustic frequency of 320 Hz. To obtain images at 12 phase angles, the trigger rate of the high-speed camera was set to 3,840 Hz. The experiments in non-excited condition showed similar results with previous research data which had approximately 8 of the breakup length to diameter. However, breakup length decreased in the case of exciting air crossflow in the test section.

초음속환경에서 액체연료 분사시 액적 분열과 기화의 연구

김영준 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

초음속엔진의 연소에서 효율과 성능에 영향을 주는 액체 연료 분사시 초음속 액적의 분열과 기화를 연구하였다. 초음속환경을 충격파관(shock tube)없이 실제환경에 가깝게 구현하여 microscopic 액체연료 액적이 초음속 상대속도(M = 1.8)를 가지며 충격파가 아닌 공기역학적 분열과 과열도에 의한 기화를 분석하였다. 또한 충격파관과 초음속 액체 액적의 분열을 포착하기 위한 이미징 시스템을 구현하였고 기화도를 위해 LIF(laser-Induced Fluorescence) 기술이 적용되었다. 액체연료 액적의 분열 형태를 단계별로 분석하였고 충격파 뒤의 주변 정압이 액체연료 액적의 증기압보다 낮은 환경에서의 기화도를 연구하였다. The aerodynamic breakup and superheating vaporization of liquid droplets in supersonic flow is potentially important implication for supersonic combustion ramjet or scramjets. The rate and physical mechanisms with the disruption and vaporization of supersonic droplets can be critical issues to combustor performance. The simulated fuel droplet in supersonic flow is examined experimentally in a draw-down supersonic wind tunnel without using shock tube that is the sudden application of aerodynamic loads. Droplet breakup pattern imaging is accomplished by using close-up direct imaging with detection system and multi-exposure imaging. Moreover, the effect of superheating on supersonic droplets is observed using LIF (Laser-Induced Fluorescence) technique.

사각 덕트내 난류 횡단류 유동장에 분사되는 액체 제트의 분열과 미립화에 관한 LES 해석

유영린(Young-Lin Yoo),한두희(Doo-Hee Han),성홍계(Hong-Gye Sung),전혁수(Hyuk-Soo Jeon),박철현(Chul-Hyun Park) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.4

사각덕트에서 난류 유동장으로 분사되는 액체 제트의 액주 분열과 미립화 현상에 관한 LES를 수행하였다. 기체상태의 공기 유동 해석에 오일러리안 해법을 사용하고, 액적 추적을 위하여 라그랑지안 해법을 사용하여 기체-액체간 이상유동(two phase flow) 해석을 수행하였다. 액적 분열 모델, 아격자 스케일 모델 및 공간 차분법에 따른 액적 분열을 조사하였다. 액체 제트의 침투깊이를 경험식과 비교하였으며 경험식보다 약간 높음을 알 수 있었다. 제트 후류에서 사우터 평균직경에 대한 분석을 수행하였다. A two-phase Large Eddy Simulation(LES) has been conducted to investigate breakup and atomization of a liquid jet in a cross turbulent flow in a rectangular duct. Gas-droplet two-phase flow was solved by a coupled Eulerian-Lagrangian method which tracks every individual particles. Effects of liquid breakup models, sub-grid scale models, and a order of spatial discretization was investigated. The penetration depth in cross flow was comparable with experimental data by varying breakup model and LES scheme. SMD(Sauter Mean Diameter) distribution downstream of jet was analyzed.

사각 덕트내 난류 횡단류 유동장에 분사되는 액체 제트의 분열과 미립화에 관한 LES

유영린,한두희,성홍계 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

사각덕트에서 난류 유동장으로 분사되는 액체 제트의 액주 분열과 미립화 현상에 관한 LES를 수행하였다. 기체상태의 공기 유동 해석에 오일러리안 해법을 사용하고, 액적 추적을 위하여 라그랑지안 해법을 사용하여 기체-액체간 이상유동(two phase flow) 해석을 수행하였다. 액적 분열 모델, 아격자스케일 모델 및 공간 차분법에 따른 액적 분열을 조사하였다. 액체 제트의 침투깊이를 경험식과 비교하였으며 경험식보다 약간 높음을 알 수 있었다. 제트 후류에서 사우터 평균직경에 대한 분석을 수행하였다. A two-phase Large Eddy Simulation(LES) has been conducted to investigate breakup and atomization of a liquid jet in a cross turbulent flow in a rectangular duct. Gas-droplet two-phase flow was solved by a coupled Eulerian-Lagrangian method which tracks every individual particles. Effects of liquid breakup models, sub-grid scale models, and a order of spatial discretization was investigated. The penetration depth in cross flow was comparable with experimental data by varying breakup model and LES scheme. SMD(Sauter Mean Diameter) distribution downstream of jet was analyzed.

아음속 수직분사제트에서 분사각도 영향에 대한 분무특성 연구

김민기(Min-Ki Kim),송진관(Jinkwan Song),이장수(Jangsu Lee),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.2

본 연구에서는 횡단류 아음속유동장에서 연료가 여러 분사각도를 가지고 수직 분무시 나타나는 액주영역의 궤적과 분열지점에 관한 연구를 수행하였다. 직접 사진촬영 방법과 평면레이저유도형광(PLLIF) 기법으로 정방향 분사각도의 분무에서 액주영역의 제적식과 분열지접까지의 거리에 대한 경험식을 도출하여 기존 연구결과와 비교 분석하고 대향분사의 액주 궤적식과 분열지점까지의 거리에 대한 경험식을 도출하였다. 실험을 통하여 액주영역의 궤적과 분열지점까지의 거리는 분사차압, 공기의 유속, 인젝터 지름 크기, 분사각도에 의하여 결정됨을 확인하였다. The liquid column trajectory and column breakup length characteristics have been experimentally studied in angled jets injected into subsonic crossflow. Pulsed shadowgraph photography and Planar Liquid Laser Induced Fluorescence measurements were used to determine the angled effects. And the main objectives of this research are to get a empirical formula of liquid column trajectory and breakup length with below the 90° degree injection angle conditions, and were compared with previous results. It was also found that the empirical formula, which reversed injection conditions of air streanl. As the result, This has been shown that liquid column trajectories and column breakup length were spatially dependent on various injection angle, normalized injector exit diameter, air-stream and fuel injection velocity. Furthermore, the empirical formula of liquid column trajectories and breakup length has been some different of drag coefficient results between normal angled injection and reversed injection in subsonic crossflow.