고온의 다공성 재료 표면에 충돌하는 액적의 충돌 후 거동 및 냉각 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 고온의 다공성 재료에 충돌하는 액적의 충돌 후 거동 및 냉각 특성에 대하여 살펴보았다. 본 연구는 실험적 연구와 수치해석적 연구로 구분된다. 실험적 연구 부분에서는 가열된 다공성 재료 표면에 충돌하는 액적의 열전달 특성과 수력학적 거동의 상관관계를 파악하였다. 서로 다른 평균 입경을 가지는 유리 입자를 소결하여 제작된 투과도 및 표면 거칠기가 다른 네 종류의 다공성 재료가 실험에 사용되었다. 기판의 표면 온도는 60℃ ~ 300℃ 로 변화시켰다. 액적의 크기는 2.6 mm이며, 충돌 속도는 0.8 m/s ~ 2.3 m/s의 범위를 갖는다. 충돌 후 거동의 가시화 결과 거동 영역은 기본적으로 낮은 온도에서의 접촉 영역과 높은 온도에서의 비접촉 영역으로 구분되었다. 접촉 영역은 액적이 기판에 부착된 상태로 증발 또는 비등하는 영역을 일컬으며, 기판 온도가 증가함에 따라 내부 증발, 내부 비등 그리고 표면 비등의 세부 영역으로 구분되었다. 비접촉 영역은 충돌한 액적이 기판으로부터 떨어져 나가는 현상이 발생하는 영역을 의미한다. 기판을 구성하는 유리 입자의 크기가 증가할수록 활발한 표면 핵비등이 발생하여 상대적으로 낮은 온도에서 기판으로부터 액적이 분리되는 현상이 관찰되었다. 충돌 속도가 증가할수록 액체-고체 경계면에서의 충돌 압력이 증가하는 이유로 접촉 영역에서 비접촉 영역으로 천이하는 기판 온도가 증가하였다. 시간 경과에 따른 기판 표면의 온도 변화는 크게 세 단계로 구분되었다. 충돌 직후 표면 온도는 급격이 하강한 후 다시 상승함과 동시에 침투한 액체와 고체 입자간의 열적 평형 상태를 이루었다 (단계 I). 침투한 액체가 서서히 증발하면서 증발이 완료될 때까지 기판의 온도는 하강하였으며 (단계 II), 이후 초기 기판의 온도로 회복하였다 (단계 III). 액적이 높은 속도로 충돌할수록 표면 위 액막의 퍼짐 직경비와 젖은 면적의 직경 비가 증가할 뿐만 아니라, 더욱 짧은 시간 안에 침투가 완료되었으며, 이에 따라 총 증발 시간이 감소하였다. 또한, 증발 시간이 최소가 되는 기판의 입자 크기가 존재함을 확인하였다. 실험 결과의 종합 결과, 액막의 퍼짐 직경 및 젖은 면적의 직경, 그리고 총 침투 시간이 액적의 냉각 성능을 결정짓는 중요한 인자가 됨을 확인하였으며, 이들은 충돌 조건 및 다공성 기판의 구조적 특성의 영향을 받았다.

다공성 기판에 충돌하는 액적의 전개 및 침투 거동을 더욱 자세히 살펴보기 위하여 수치 해석 solver가 개발되었다. 본 연구에 사용된 solver는 공개 코드인 OpenFOAM을 기본으로 하였으며, 기본으로 제공되어 있는 VOF solver (porousInterFoam)을 수정하여 작성되었다. Kistler의 동적 접촉각 모델을 바탕으로 하여 기초적인 접촉선 저항 모델을 제안하였으며, 수정된 수치 해석 solver에 본 모델이 적용되었다. 새로 제안된 접촉선 저항 모델에서는 조절 상수의 변경을 통해 접촉선 저항의 정도를 간편하게 조절할 수 있다. 또한 다공성 영역 내에서 액체-기체 경계면의 이동에 기공률이 미치는 영향 및 모세관압의 효과 또한 포함되었다. 액적 거동에 대한 수치해석 결과와 김우식 (2010)의 실험 결과의 비교를 통하여, 실제 현상을 가장 잘 예측할 수 있는 조절 상수를 검토하였다. 본 연구에서 제안된 접촉선 저항 모델 및 수정된 solver를 통해 다공성 기판 표면에 충돌한 액적의 최대 퍼짐 직경을 합리적인 정확도로 예측이 가능하였다.