Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 6 pp. 1-7, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.6.1 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 초음파미립화노즐의분무특성에미치는주요인자의영향 정선용, 이계복 * 충북대학교기계공학부 Effect of Major Factors on the Spray Characteristics of Ultrasonic Atomizing Nozzle Jeong Seon Yong, Lee Kye Bock * School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University 요약분무식노즐 (spray nozzle) 은액체의표면을증가시키기위해에너지를공급하여액체를다수의액적으로미립화시키는장치로연소과정에서의연료의미립화또는표면이나입자의코팅등여러산업분야에다양한목적으로응용된다. 초음파미립화노즐은진동발생장치로부터고진동수의전기에너지를받아같은진동수의기계적에너지로변환시키는변환기를갖고있다. 변환된에너지를액체에부가하여고주파진동에의해미세한액적을생성하여분사한다. 코팅작업에서가압되지않은저속의분무는액적이튕겨나가지않고표면에달라붙어과도하게분사되는양을줄일수있다. 초음파미립화노즐은초음파진동부외벽에공기를공급해줄수있는공간을통해생성된보조공기흐름을이용하여저속의액적을운반하여분무특성이나분무형상을조절할수있다. 따라서주위공기의흐름을이용하여원하는분무특성을얻을수있다. 본연구에서는액적의분사운동을모사하기위해라그랑지안분산상모델 (DPM) 을적용한상용코드 FLUENT를사용하여액적주위의공기흐름을동반하는초음파미립화노즐을해석하였다. 노즐수축부형상, 액적의크기그리고공기측압력차의크기를변화시키며수치해석을수행하여코팅용분무를위한최적조건을연구하였다. Abstract The atomization of a liquid into multiple droplets has many important industrial applications, including the atomization of fuels in combustion processes and coating of surfaces and particles. Ultrasonic atomizing nozzle has a transducer that receives electrical input in the form of a high frequency signal from a power generator and converts that into mechanical energy at the same frequency. Liquid is atomized into a fine mist spray using high frequency sound vibrations. In coating applications, the unpressurized, low-velocity spray reduces the amount of overspray significantly because the droplets tend to settle on the substrate, rather than bouncing off it. The spray can be controlled and shaped precisely by entraining the slow-moving spray in an ancillary air stream using specialized types of spray-shaping equipment. The desired patterns of spray can be obtained using an air stream. To simulate the water mist behavior of an ultrasonic atomizing nozzle using an air stream, the Lagrangian dispersed phase model was employed using the commercial code FLUENT. The effects of the nozzle contraction shape, water droplet size and the pneumatic pressure drop on the spray characteristics were investigated to obtain the optimalcondition for coating applications. Keywords : Atomization; CFD Simulation; Coating; Dispersed Phase Method; Spray 본논문은 2016년도산학융합 R&D 지원사업의연구비지원에의하여연구되었음. * Corresponding Author : Kye Bock, Lee(Chungbuk National University) Tel: +82-43-261-3232 email: kblee@chungbuk.ac.kr Received March 16, 2017 Accepted June 9, 2017 1. 서론 일반산업분야및의료산업에사용되는부품들이보다정교해지며구조가복잡함에따라코팅환경에서코팅 입자가더욱미세하고박막이며균일한품질을요구되는고품질의코팅수요가늘어나고있으며, 코팅액의다양한기능성이요구되어지면서코팅원료의가격도증가되고 Revised (1st April 11, 2017, 2nd May 1, 2017) Published June 30, 2017 1
한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017 있다. 의료분야에많이사용되고있는풍선카테터 (balloon catheter) 는스텐트 (stent) 와구조가유사한데길이가 20 100 mm까지의긴구조를가지며스텐트의기능과같이혈액통로확보및혈관내벽지지기능과같으며요구되는길이가긴경우에사용된다. 스텐트및풍선카테터는약 200 μm 두께의미세한탄성체의복잡한구조를가진형상에 100mm 정도의길이를균질한박막코팅을처리하기위해서는매우얇게여러번반복적으로코팅을연속적으로처리해야한다. 카테터와같이복잡한형상으로길이가길고여러번반복적으로대량의코팅을지속적으로유지해야하는환경에서는생산시간을충족하기위해최대분당 1000 μl 수준의다량의코팅액을높은효율로처리하기위해서는새로운첨단분사시스템개발이매우필요한실정이다 [1-2]. 미립화는액체의분류나막이액체자신의운동에너지나초음파등의외부의진동장치, 빠른속도의공기같은기체에의해분열되는과정이다. 여러산업분야에다양한목적으로응용되는분무식노즐 (spray nozzle) 은액체를미립화하여액체의표면을증가시키기위해에너지를공급하는방법으로압력형, 회전형, 이유체미립화기를사용한다. 이유체노즐 (two fluid nozzle) 은액체의흐름에기체를충돌시키거나빠른기체의흐름에액체를분사시켜액체를미립화시키는노즐로서비교적작은압력으로우수한미립화성능을기대할수있다. 또한이유체노즐은분사지연기간에공기를연속적으로공급하여노즐내부에잔존하는액체를모두외부로배출시킴으로써염의발생가능성이있는액체로인한노즐막힘현상을해결할수있다. 외부에서진동장치에의한기계적에너지를액체에부가하기위해초음파를이용하여원하는크기의액적을생성하는초음파노즐은고분자를미세하게 μm 단위의입자로분사하기때문에 Particle이생기지않고균일한코팅작업에이용할수있다 [3-4]. 코팅을위한이유체노즐의특성은노즐형상 (internal mixing, external mixing), 두유체의속도차, 코팅액물성치 ( 밀도, 표면장력 ) 의영향을받는다. 기체의분사압력이증가할수록코팅액에대한기체의질량비가커지고코팅액의액적크기는작아지게된다. 코팅액의토출량은토출압력및노즐의종류에의해조정될수있다. 액적의크기가작을수록분류의분무각은커지게된다 [5]. 다양한산업분야에응용되고있는이유체노즐의분무구조에 미치는주요인자에대한영향을평가하기위한연구가많이진행되고있고연구방법으로는실험및 CFD기법이사용된다. 실험은노즐분사특성및주요인자에대한변경이상대적으로자유롭지못한제한점때문에최근들어 CFD 기법을이용한수치해석방법활발히진행되고있다. 현재의료용코팅노즐은전량수입에의존하고있으며독점적인형태로이루어져있어가격경쟁력이문제가되고있고스텐트코팅용초음파분무식노즐은사이드피딩 (side feeding) 방식으로수십마이크로의코팅입자를낮은공압으로폭이협소한형태로포커싱 (focusing) 시키며분주범위가노즐출구로부터 0.26 0.77mm로협소하다. 기체가동시에분사되는일체형노즐은분주범위가 1.778 6.35mm로다소넓다. 본연구를통해분주범위를약 10mm까지넓히는노즐설계방법을개발하려고한다 [6-7]. 본연구에서는외부에서진동장치에의한기계적에너지를코팅액에부가하기위해초음파를이용하여 μm 단위의원하는크기의액적을생성하고노즐에일체형으로초음파진동부외벽에공기라인을공급해줄수있는공간을만들고공기라인의수축부설계에따라유로를변경하여분사시켜원하는분사단면면적을구현하기위한주요인자의영향을평가하여설계기본자료를도출하려고한다. 설계된노즐이원하는코팅균일도를만족시키는지를확인하기위해노즐에서의이상유동을 CFD 상용코드를사용하여해석하였다. 노즐에서의유동을해석하기위해축대칭좌표계를사용하여제트유동이난류인경우를해석하였다. 이상제트유동을해석하기위해 Dispersed Phase Method(DPM) 을사용하였다 [8-10]. 2. 이론적해석 2.1 초음파를이용한이유체노즐현재사용되는의료용코팅분무식노즐은 Fig. 1과같이초음파를이용하여작은크기의액적을생성하여분사하는노즐로초음파발생기에의해발생된초음파가노즐상단부의동축케이블선으로들어가진동자를진동시켜서용액을쪼개어액적 (liquid drop) 의형태로뿌려지는원리이고사이드피딩 (side feeding) 방식으로수십 2
초음파미립화노즐의분무특성에미치는주요인자의영향 마이크로의코팅입자를낮은공압으로액적주위로공기를분사시켜폭이협소한형태로포커싱 (focusing) 시키며분주범위가노즐출구로부터협소하다. 초음파노즐은주파수가높아질수록분무입자는미세해지나최대유량이적어짐으로 1000ul이상의조건대비최소의입자크기를가지는주파수를이론식으로구하여노즐의주파수를지정하였다. 이러한초음파진동부외벽에공기라인을공급해줄수있는공간을만들고홀아래격자의설계에따라공기의유로를변경시켜노즐출구로부터 10 mm 까지분주범위를넓히고단면의직경이 2mm 이내의분사면적을구현하고자한다. 이를위해균일한공기공급을위해서대칭적인구조가필요하며홀의개수는 3개로설정하여균일하고일관성있는공기를초음파스프레이의가이드라인으로사용하고자한다. 대상물과의거리와에어의흐름에따라 10 mm까지포커싱 (focusing) 을조절해서기존에있던초음파노즐의특성을살리면서더많은유량과더넓고조절가능한범위에코팅을가능하기때문에의료용약물이나코팅용액을낭비하지않고미세한정밀코팅을할수있게하려고한다. 2.2 수치해석이유체노즐의분무특성을실험적인방법으로분석한다는것은시간적으로도경제적으로도비용이많이든다. 하지만컴퓨터를이용한전산유체역학해석적방법을이용하면내부의유동특성인압력분포, 속도벡터등을쉽게계산할수있고최근들어컴퓨터의성능의급속한발전으로전산유체역학의사용이확대되는추세이다. 이에따라본연구에서는수치해석적기법을이용하여 CFD 상용코드인 ANSYS FLUENT 17.1과내부유동장의격자구조는 ANSYS Meshing을사용하였다 [10]. 2.2.1 지배방정식기체유동장내노즐에서분사된액적의거동및연속체인기체유동장과의상호작용에대한모사를위하여 Lagrange 기법을바탕으로한 DPM을적용하였다. DPM은 Euler-Lagrange 접근방법을따른다. 연속체로계산될유체상은나비에- 스토크방정식을계산함으로연속체로서처리되고반면에분산된상은계산된유동장을통해입자들을분사함으로써계산된다. 이때분산된입자들은유동장에서계산된운동량, 질량, 그리고에너지를서로교환할수있다. DPM의접근방법은 Lagrangian을기반으로입자들의힘을유동장의에너지와상호교환함으로써분산된상입자의경로를예측한다. 이힘의균형은입자에작용하는힘을동등하게하고다음과같은방정식으로적용된다. (1) 우변의첫째항은입자에작용하는단위질량당항력이고, 는액적혹은입자완화시간으로다음과같이정의된다. (2) 는입자의당위질량당추가가속도항이고, 는유체속도, 는입자속도, 는유체입자의점성, 는유체 Fig. 1. Schematics of the ultrasonic atomizing nozzle 밀도, 는입자의밀도, 그리고 는입자의지름, 는항력계수, 는레이놀즈수이다. 3
한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017 (3) 난류유동의해석을위해현재까지가장범용적인난류모델인 모델을사용하였다. 난류운동에너지 () 와난류소멸률 () 방정식은다음과같다. 난류방정식 (4) (5) Fig. 2. Computational mesh of ultrasonic atomizing nozzle 2.2.3 경계조건이상노즐유동을해석하기위해서노즐내공기입출구의압력, 코팅액의유량조건을그리고노즐벽에서경계조건을사용하였다. 노즐내공기의출구경계조건은압력경계조건 ( 대기압 ), 입구에서는원하는압력조건을적용하였다. 또한노즐내부의벽경계조건은점착조건 (no-slip condition) 을적용하였다. 여기서 는 -모델에서난류생성방정식에서계산된속도구배로의한난류운동방정식의생성항이고 는부력효과로인해생기는생성항이다. 또한, 은소멸률에대한 fluctuating dilatation을나타내며 는유체밀도, 는유체의속도,,, 은상수값이다. 와 은 와 의난류 Prandtl 수이고 와 은사용자정의생성항을나타낸다. 는난류점성계수이며다음과같은방정식으로정의된다. (6) 3. 해석결과및고찰외부에서진동장치에의한기계적에너지를코팅액에부가하기위해초음파를이용하여액적을생성하고노즐에일체형으로초음파진동부외벽에공기라인을공급해줄수있는공간을만들어공기라인의수축부설계에따라유로를변경하여분사시켜액적의원하는분사단면면적을구현하기위한액적입자의크기, 노즐수축부의형상, 공기측분사압력의크기등주요인자의영향을이상유동모델인 Dispersed Phase Method(DPM) 을사용하여수치적으로해석하였다. 여기서 는상수값이다. 2.2,2 모델링및격자생성전산수치해석에서격자의모양과격자의개수, 격자의질등이유동해석의신뢰도에영향을준다. 본연구에서는 Fig. 2와같이비정렬방식을이용하여격자를처리하였고격자의개수를최소 50만개에서 120만개로변화시키며민감도분석을수행하여격자의개수를최소 100만개이상으로결정하였다. 3.1 액적입자의크기영향액적입자의크기에따른노즐분사영역의특성을해석하였다. Fig. 3은액적의입자크기 5, 20, 100 일때출구속도 0.015 m/s에서노즐출구직경 1.2 mm에서분사되는형상이다. Fig. 3에나타낸것처럼액적직경이작을수록노즐에서분사된액적이더넓게분포하는것을알수있다. 노즐출구에서 5mm, 10 mm 위치에서의코팅액의체적분률을나타낸다. 노즐출구에서거리가 5 mm, 10 mm일때의액적이분사되는단면영역의직경을 Table 1에 mm 값으로나타냈다. 액적이입경이작을 4
초음파미립화노즐의분무특성에미치는주요인자의영향 수록노즐출구로부터일정거리에서분사영역이더넓게분포하는것을알수있다. 커지면분사단면의직경이오히려증가하는것을알수있다. a) 5 b) 20 c) 100 Fig. 3. Contour plots of liquid droplet volume fraction for various droplet size Table 1. Spray cross section diameter of liquid droplet along the streamwise direction Particle size z=5mm z=10mm 5 5.3 5.8 20 2.3 3.0 100 2.0 2.1 a) 10 Pa b) 20 Pa c) 100 Pa Fig. 4. Contour plots of liquid droplet volume fraction for different pressure difference Table 2. Spray cross section diameter of liquid droplet along the streamwise direction Pressure difference z=5mm z=10mm 10 Pa 1.3 1,1 50 Pa 1.2 1.1 100 Pa 0.8 1.0 200 Pa 1.7 2.2 3.2 공기측입출구압력차의크기영향코팅액노즐에일체형으로초음파진동부외벽에공기라인을공급해줄수있는공간을만들고홀아래격자의설계에따라공기의유로를변경시켜공기라인의수축부를따라분사시켜원하는분사단면면적을구현하기위해공기측분사압력을변화시키며이유체노즐유동의특성과노즐분사영역을비교하였다. Fig. 4는압력차 10, 50, 100 Pa일때노즐에서분사된액적의체적분률을나타낸다. 코팅액과공기의밀도차와출구면적을고려하여코팅액과일정각도로충돌하는공기의운동량크기를변화시키기위해공기측의압력차를바꾸며공기속도를조절하였다. 주위공기의영향으로분사된액적이공기가분사되지않는경우에비해중앙부에더집중되는것을알수있다. Table 2는압력차에따른제트출구로부터 5mm, 10 mm에서의액적의분사단면영역의직경을나타낸다. 주위공기의영향으로분사단면영역의직경이공기가분사되지않는경우에비해감소하는것을알수있다. 그러나압력차가커져공기의운동량이코팅액의운동량보다상대적으로 3.3 노즐수축부의영향노즐의수축부는유동을가속화, 균일화시키며출구에서균일분포및낮은난류강도를갖는영역이최대가되도록설계되어야하고수축부성능에영향을미치는주요인자로는수축부형상, 수축부길이, 수축부의입구와출구의면적비, 수축부로유입되는유동의상태등이있다. 본연구에서는수축부형상에따른분무특성을평가하기위해주어진입구와출구의면적과길이에대해입구와출구를직선으로수축시킨형상에대해압력차 10 Pa인경우에대해유동특성해석을수행하여 Fig. 5 에나타냈다. 노즐출구에서 5mm, 10 mm 위치에서의코팅액이집중되는분사영역의단면직경이공기가분사되지않은경우와비교해분사영역의단면직경은감소하지만중심축에대해비대칭의분포를나타내는것을볼수있다. 노즐주위의공기속도분포를보면수축부형상이공기유동을균일하게분포시키지못하여분사된액적이비대칭분포를보이는것을알수있다. 5
한국산학기술학회논문지제 18 권제 6 호, 2017 a) volume fraction a) volume fraction b) velocity vector Fig. 5. Contour plot of liquid droplet volume fraction and velocity vector in the linear contraction nozzle 분사되는액체의비대칭분포를개선하기위해 Batchelor와 Shaw[11] 가제안한포물선형태의수축노즐을사용한경우에대한해석결과를 Fig. 6에나타냈다. 그림에서볼수있는바와같이노즐주위의공기분포가균일하게대칭분포가개선되면서분사된액적의분포도중심축에대해대칭분포가직선형수축노즐에비해향상되는것을알수있다. 4. 결론 외부에서진동장치에의한기계적에너지를코팅액에부가하기위해초음파를이용하여원하는크기의액적을생성하고노즐에일체형으로진동부외벽에공기라인을공급해줄수있는공간을만들어공기라인의수축부설계에따라유로를변경하여분사시켜액적의원하는분사단면면적을얻기위한액적입자의크기, 노즐수 b) velocity vector Fig. 6. Contour plot of liquid droplet volume fraction and velocity vector in the BS contraction nozzle 축부의형상, 공기측분사압력의크기등의영향을수치적으로해석하였다. 본연구를통해다음과같은결론을얻었다. 1. 액적이입경이작을수록노즐출구로부터일정거리에서더넓게분포하는것을알수있다. 2. 액적주위로공기를분사시켜코팅액에공기를일정각도로충돌시켜분사된액적을중앙부에집중시켜원하는분사영역의직경을조절할수있는것을확인하였고원하는분사직경을얻기위한공기측압력차를구하였다. 3. 분사되는액체의비대칭분포를개선하기위해수축노즐의형태를포물선형태인 Batchelor -Shaw 방법을사용한노즐을사용한경우에직선형수축노즐을사용하는경우에대해대칭분포가개선되는것을알수있다. 6
초음파미립화노즐의분무특성에미치는주요인자의영향 References [1] S. C. Tsai, Y. L. Song, C. S. Yang, W. Y. chiu, H. M. Lin, Ultrasonic spray pyrolysis for nanoparticles synthesis, Journal of Materials Science, vol. 39, no. 11, pp. 3647-3657, 2004. DOI: https://doi.org/10.1023/b:jmsc.0000030718.76690.11 [2] W. Duangkhamchan, F. Ronsse, F. Depypere, K. Dewettinck, J. G. Pieters, CFD study of droplet atomisation using a binary nozzle in fluidized bed coating, Chemical Engineering Science, vol. 68, pp. 555-566, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.10.022 [3] P. D. Hede, P. Bach and A. D. Jensen, Two-fluid spray atomisation and pneumatic nozzles for fluid bed coating/agglomeration purposes: A review, Chemical Engineering Science, vol. 63, pp. 3821-3842, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.04.014 [4] Y. J. Choi, S. M. Kang, D. J. Kim, J. K. Lee, Effect of Nozzle cap geometry for swirl-type two-fluid nozzle on the spray characteristics, Journal of ILASS-KOREA, vol. 13, no. 3, pp. 134-142, 2008. [5] S. Y. No, "Empirical correlations for breakup length of liquid jet in uniform cross flow-a review", Journal of ILASS-KOREA, vol. 18, no. 1, pp. 35~43, 2013. DOI: https://doi.org/10.15435/jilasskr.2013.18.1.035 [6] S. M. Sumon and S. W. Lee, "Numerical analysis of effects of water mist injection characteristics on cooling performance in heated chamber", Journal of ILASS- KOREA, vol. 17, no. 2, pp. 64~70, 2012. DOI: https://doi.org/10.15435/jilasskr.2012.17.2.064 [7] S. L. Dixon, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Butterworth Heinemann, 1998. [8] K. X. Steirer, J. J. Berry, M. O. Reese, M. F. A. M. Hest, A. Miedaner, M. W. Liberatore, R. T. Collins, D. S. Ginley, Ultrasonically sprayed and inkjet printed thin film electrodes for organic solar cells, Thin Solid Films, vol. 517, pp. 2781-2786, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.10.124 [9] K. Gonda, K. Kadota, Y. Deki, Y. Tozuka, A. Shimosaka, Fabrication of composite particles by liquid-liquid interfacial crystallization using an ultrasonic spray nozzle, Powder Technology, vol. 269, pp. 401-408, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.09.042 [10] FLUENT, Fluent 17.1 User s Guide, 2016. [11] A. K. M. F. Hussain and V. Ramjee, Effects of axisymmetric contraction shape on incompressible turbulent flow, TRANS of the ASME, J. Fluids Engineering, vol. 98, pp. 58-69, 1976. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3448210 정선용 (Kye-Bock Lee) [ 준회원 ] < 관심분야 > 유체기계, 전산유체 2015 년 2 월 : 충북대학교기계공학부 ( 공학사 ) 2017 년 2 월 : 충북대학교기계공학과대학원석사 2017 년 2 월 ~ 현재 : 앤플럭스연구원 이계복 (Kye-Bock Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 난류유동, 유체기계, 전산유체 1981 년 2 월 : 서울대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1983 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 공학석사 ) 1987 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 공학박사 ) 1996 년 8 월 ~ 현재 : 충북대학교기계공학부교수 7