Research Highlight

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  이번 리서치 하이라이트에서는, 추친 및 연소 연구실(Procom) 소속 백승욱 교수님의 연구를 소개합니다. Procom 연구실에서는 로켓 추진 시스템의 핵심 부분인 복잡한 연소 과정을 이해하고 열 유동 과학 및 열 전달 분야의 연구를 수행합니다. 이번 리서치 하이라이트 코너에서는 로켓 추진 응용 분야에서 기존의 액체 연료에 비해 에너지 효율면에서 장점을 가진 대안으로 새로운 친환경 젤연료의 연소 거동에 대해 논의합니다. 이 연구는 Scientific Reports에 게재되었습니다.

 

친환경 젤 연료

  우주 탐사를 위한 차세대 고급 로켓 추진 시스템의 성공은 높은 에너지 밀도(단위 질량 당 높은 발열량)를 지닌 친환경 연료를 사용하고, 저비용으로 운영에 안전함을 제공하는 능력이 필요합니다. 이 점에서 고성능 젤 기반 연료가 로켓 모터 연료의 주요 후보로 등장했습니다. 젤 기반 연료 또는 단순히 젤연료라 불리는 이것은, 주로 에탄올 또는 메탄올과 같은 기본 연료와 유기 첨가제인 메틸 셀룰로오스(Methyl Cellulose)와 같은 젤화제(Gelling Agent)로 구성됩니다. 이러한 구성의 결과로, 젤연료는 현재 시스템에서 통상적으로 사용되는 고체 및 액체 연료 추진제의 장점을 통합하여 제공하기 때문에 우수한 성능을 발휘합니다. 예를 들어 낮은 전단에서의 고체형태 구조물의 안전한 저장 및 취급을 가능하게 합니다.(누출의 위험을 감소시킨다는 뜻) 또한 고체와 같은 거동은 연료에 높은 점성을 부여함으로서, 일반적으로 연료의 에너지 밀도를 증가시키기 위해 첨가되는 나노 크기의 금속 첨가제가 용이하게 현탁(Suspension)되도록 합니다. 나노 첨가제를 안정적이고 균일하게 현탁할 수 있는 능력은 보다 높은 특정 충격을 가능하게 합니다. 한편, 액체와 같은 거동은 고체 추진제 엔진에서 흔히 볼 수 있는 엔진 재점화 및 추력 제어 문제를 해결하는 연료를 공급하게 만듭니다. 또한 유변학적 특성(Rheological Poperties)의 관점에서 젤연료는 전단 감압 비뉴턴 유체(Shear Thinning Non-Newtonian Fluids)로서 작용하는데, 이는 전단력을 받을 떄 점도가 감소하여 액체와 같이 유동하는 경향을 말합니다. 이 특성은 젤화된 연료가 공급 중에 쉽게 액체처럼 펌핑 될 수 있게 만들고, 이는 효율적인 분사를 위해 분사기로 분사됩니다.

 

 

젤 연료의 독특한 진동 연소 거동: 연료 연소율을 높이기 위한 잠재적 메커니즘

  위와 같은 근거로 인해, 젤연료는 기존의 추진체에 대한 효율적인 에너지원로 사용될 수 있는 전망을 보였습니다. 그러나 이러한 젤연료의 연소 작용에 대한 현재의 이해수준은 초기 단계에 있으며, 우리는 이 과정으로 이익을 내기 전에 분무 입자 단위로 이해해야 합니다.(이는 스프레이 기반 연소 시스템의 가장 작은 요소를 형성하기 때문입니다) 이는 젤연료의 연소가 액체 및 고체 연료와 달리 연료 유변학에 의해 지배되는 복잡한 공정이기 때문입니다. 예를 들어, 젤화제의 첨가는 연료 연소율에 영향을 미치는 결정적인 매개 변수인 연료의 기화열을 변화시킵니다. 특히 증발열은 젤화제 부하가 증가함에 따라 함께 증가하여, 순수한 액체에 비해 연소 속도가 느려집니다. 또한 점화 지연 시간은 젤연료에 대해서도 더 높으며, 일반적으로 젤화제의 농도가 높을수록 젤연료를 점화하는 것이 점점 어려워집니다.

  따라서 이러한 복잡한 젤연료의 연소 거동을 제어하는 열적, 물리적 메커니즘을 이해하기 위해 백승욱 교수와 Dr. Ankur Miglani(Postdoc), P. Nandagopalan, Jerin John(Graduate student)은 대기조건(Ambient Condition)에서 단 하나의 격리 된 젤액적(Gel Droplet)의 동역학을 연구했다. 이 연구에서는 ‘Ocillatory fuel vapor jetting’이라고 불리는 젤연료의 액적을 연소할 때 연료 방출의 새로운 메커니즘을 확인할 수 있었습니다. 그림1은 Hydoxy-Methyl-Propyl Cellulose 유기 젤화제가 함유 된 연소 에탄올 연료 액적에 대한 공정을 보여줍니다. 이는 규칙적인 증발 이외에도 연료 방출이 이 메커니즘을 통해 제어되어 높은 연소 효율을 달성할 수 있음을 보여줍니다. 특히 기존의 연료에 소량의 젤화제를 첨가하면 점차적으로 파열이 빠른것에 비해, 반응이 되지 않은 연료 증기를 방출하기 위한 고주파에서의 반복적인 파열을 겪는 액적 표면에 취약한 쉘이 형성되는 것을 촉진합니다. 이러한 방법으로서 연료 연소율이 향상됩니다.

 

그림 1 왼쪽: 불타는 젤연료 액적의 불꽃 구조, 오른쪽: 연소하는 유기젤화제(3 wt% HPMC)에 기초한 에탄올 연료 액적의 3회 진동 분사식 캐스케이드의 동적 파열 시퀀스)

 

사이클 1번:

(a) 팽창된 액적 상태(t=0ms)

(b) 제트 구멍 형성을 유도하는 제 1젤화제층 파열(0.834 및 1.527ms) 빨간색 점은 초기 파열 위치를 나타내며 빨간색 화살표는 제트 중에 미반응 연료 증기의 공급원 열할을 하는 feeder bubble을 나타냄.

(c) 초기 파열 후 제트 구멍의 확장을 보여주는 확대도(1.945 및 4.027ms)

(d) 후퇴(Retraction)동안의 제트 구멍 확대도(8.612 및 12.361ms)

(e) 계속 후퇴(15.416ms)

(f) 파열된 부위의 완전한 회복(96.667ms)

(g) 압력 증가로 이어지는 기포의 성장(88.194ms)

(h) 물방울이 수축되고 사이클2번이 시작되는 두번째 파열(88.75, 89.305 및 89.723 ms)

(i) 바닥의 반구에서 버블 성장을 통한 압력 형성과 함께 액티브 분사 영역의 지속적인 수축 및 변위(92.916, 131.112 및 388.055ms)

(j) 두 개의 활성 지점을 통해 동시 분사로 이어지는 세번째 파열(사이클 3번, 388.75, 389.723 및 391.527ms), 이 부분에서는 액체 표면의 약한 연질 영역이 중첩되어 보여진다

(k) 상부 분출 구멍으로부터 연속 분출과 함께 하부 분출 부위의 연속 수축(393.612 및 397.778)

(l) 바닥 부위의 완전한 회복은 정상에서의 지속적인 제트(403.334 ms)

 

이미지 (a)~(f)와 (h)~(l)은 활성 분사 기간을 보여주고 있으며, (f)~(g)는 비활성 또는 압력 상승 기간을 의미합니다. 눈금 막대는 전체보기와 확대보기에 대해 각각 1mm와 0.5mm를 뜻합니다.

 

이 연구의 주요 결과는 초기젤화로딩속도(GLR)를 변화시킴으로서 액적(또는 분사빈도)의 파열 주파수가 변경 될 수 있음을 나타냅니다. 높은 GLR에서 두꺼운 껍데기가 형성되어 연속적인 파열이 방울 표면의 무작위로 분산 된 위치에서 발생하고 임의의 주파수에서 방울 파열을 유발합니다. 그러나 낮은 GLR에서는 물방울의 동일한 영역에서 연속적인 파열이 발생하기 쉬운 얇은 쉘이 형성됩니다. 이는 점점 더 높은 주파수에서 액적 파열로 이어집니다. 따라서 제트 주파수를 튜닝하는 이 방법은 두가지의 목적을 제공합니다. 먼저, 연소기를 통과할 때 액적 궤적을 변경하고 기상 혼합을 강화하며 연료 증기의 제어 방출을 통해 연료 연소율을 조정함으로서 연료 충전을 균질화하는 데 도움을 줍니다. 두번째로 마이크로 유체공학부터 약학, 랩 온어 칩 장치(Lab-on-a-chip)에 이르기 까지 몇 가지 산업 공정을 젤방울을 사용하기 때문에, 로켓뿐 아니라 여러 종류의 젤기반 시스템의 기본 메커니즘을 이해하는 데 있어 다양한 플랫폼을 제공합니다.

 

¹Miglani, A., Nandagopalan, P., John, J. and Baek, S.W., 2017. Oscillatory bursting of gel fuel droplets in a reacting environment. Scientific Reports, 7.

 

 

 

편집         김태진[sll9794@kaist.ac.kr]