일반기술

레이저를 이용한 3차원 영상 분무 크기/속도 측정기술

본 기술은 연료, 약품과 같은 액체를 노즐로 분무시켰을 때 생기는 분무의 분포를 정량적으로 나타내기 위해 분무의 크기와 속도를, 레이저를 이용해 측정하기 위한 기술이다. 수송이 편리하고, 저장이 쉬우며, 액체상태로 이용가능하다는 점 때문에, 가솔린, 디젤 등의 자동차 엔진이나 가스터빈, 산업용 로(爐) 등 현재의 에너지 수요 중 많은 부분이 연소실 내로 액체연료를 분무의 형태로 주입하여 연소하는 방식으로 이루어지고 있다. 뿐만 아니라, 액체 분무는 농업, 의학, 기상학 등 여러 응용 분야에 광범위하게 적용되고 있어 그 중요성이 커지고 있다. 따라서, 분무의 분포를 정량적으로 측정하는 것은 노즐의 설계와 개발을 위해서 뿐 아니라 실제 적용에서의 성능 제어를 위해서 필요하다. 분무의 분포를 측정하는 방법으로 기존에는 많은 수의 수집관이나 구역들로 이루어진 기계적 patternator를 이용하여 측정해 왔다. 그러나 이런 기계적 patternator는 공간 분해능력이 떨어질 뿐만 아니라 유동을 교란시킬 수 있기 때문에 복잡한 재순환 유동이나 화학 반응이 있는 유동에서의 적용이 어렵다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 레이저를 이용해 평면의 이미지를 얻어 분무의 분포를 얻어내는 광학적 patternator에 대한 연구들이 진행되고 있다. 광학적 patternator는 유동을 교란시키지 않으면서 고해상도의 분무 패턴 측정을 할 수 있게 해준다. 광학적 patternator에서는 레이저 평면광에 의한 분무의 산란광(scattering) 또는 형광(fluorescence)을 이용하여 액체 연료 분포의 균일성과 대칭성을 알아본다. 특히 형광 신호는 물질의 체적에 비례하므로 이를 이용하여 분무 단면의 2차원 질량 유량 분포를 알수 있다. 또한 액적의 지름에 비례하는 것으로 알려지는 Mie 산란광과의 비를 가지고서 액적의 SMD(Sauter Mean Diameter)의 2차원 분포도 한 번에 구할 수 있다. 그리고 각 단면의 질량 분포를 조합하여 3차원 분무 구조의 이미지를 재구성할수 있다 분무의 크기를 상세하게 분석하는 방법으로 위상 도플러 입자 분석기(Potential Doppler Particles Analyzer;PDPA)가 널리 사용되어지고 있다. PDPA는 점측정 방식으로서 고정된 위치를 통과하는 액적의 크기와 속도, 수밀도, 체적 유량 등을 실시간으로 측정해 준다는 장점을 가지고 있다. 그러나 분무의 특성은 3차원적인 현상으로 파악해야 하는 것이 일반적인데 PDPA를 이용하여 분무의 전체적인 특성을 분석하는 일은 매우 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 또 다른 방법으로 기계적 patternator를 들수 있는데 공간 분해능이 낮고, 유동을 직접적으로 교란시키는 단점을 지닌다. 레이저 평면 이미지 기법을 이용한 분무 특성 측정은 일반적인 레이저 계측 기술의 특징이라 할 수 있는 유동에 대한 교란이 없이, 높은 공간 해상도의 측정을 할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 PDPA와 같은 점 측정 방식에 비해 손쉽게 2차원 단면 분무 특성을 파악할 수 있다는 특징을 추가적으로 가지고 있다. 각 단면의 액적 속도 벡터를 알면 질량 플럭스 개념으로 발전할 수 있다. 액적 자체가 측정 입자로 작용할 수 있으므로 stereo PIV와 같이 3차원 속도 벡터를 손쉽게 구할 수 있다