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광섬유 탐촉자에 의한 물-수증기 2유체 노즐 내의 액막 계측
한국과학기술정보연구원
전문연구위원 조흥곤
(chohungg@reseat.re.kr)
환상류(annular flow)와 환상분무유(annular-mist flow)는 각종 공업 장치에 두루 나타나는 흐름이며, 그 액막 두께나 속도를 계측하는 방법으로 정전류법(galvanostat), LIF법(laser-induced fluorescence; 레이저유기형광법), 레이저 변위계(laser type displacement meter) 등이 이용되고 있다. 이들 종래의 계측 방법은 좁은 공간에서는 적용하기 어려워 극히 작은 구경 노즐 내의 액막(liquid film) 계측에는 사용하기 어렵다.
일본의 Shizuoka 대학의 연구팀이 개발한 광섬유 탐촉자(optical fiber probe)법(이하 ‘OFP법’이라 함)을 이용하여, 소구경 노즐 내의 액막 평균 두께와 그 변동 평균진폭의 계측을 시도하였다. OFP법은 접촉점 계측이지만 응답 속도가 다른 방법보다 훨씬 빠른 특징이 있다. 시간분해능(time resolution)은 사용되는 광 검출기에 의존되는 경우가 많으나, OFP법은 저가이면서도 사용하기 쉽고 응답성이 낮은 것에서도 200㎑의 속도를 가져서, 종래의 계측 방법에 비하여 시간분해능이 대단히 높다.
여기에서는 물과 수증기의 2유체 분무 노즐(내경 6㎜) 내에 형성된 액막을 계측 대상으로 하여, 고속으로 유동하는 수십 ㎛의 액막 두께를 계측하는 새로운 방법을 제안하고 있다.
OFP법이란 기체상(gas phase)과 액체상(liquid phase)의 굴절률 차이에 따른 광섬유 선단의 되돌림 광량 변화를 이용하는 계측 방법이다. 이 방법은 다음과 같은 순서에 따라 이루어진다.
① 반도체 레이저의 출력 광을 대물렌즈(objective lens)에 의하여 섬유 단면에 모아, OFP에 입사시킨다.
② 입사광의 일부는 광섬유 내에 전파되어 광섬유 센서 부분에 도달한다.
③ 센서 부분에서 레이저광의 일부가 반사되어 섬유 내부를 역진하게 되고, 빔 분할기(beam splitter)에서 방 향을 바꿔 편광판(polarizer)의 작용으로 반사광(reflected light)만을 광전자 증배관(photo multiplier)에 의
하여 검출한다.
④ 광전변환(photoelectric conversion)이 이루어진 신호를 디지털오실로스코프(digital oscilloscope)에 기록한 다.
사용된 광섬유의 소선(element wire)은 합성 석영 광섬유이며, 이를 가공하여 미세한 탐촉자로 만들었다. 센서 부분이 기체상태에 있게 되면, 공기와 기체상의 굴절률 차이가 크기 때문에 되돌림 광량이 증가하며, 출력 전압값은 높게 된다. 한편 센서 부분이 액체상태에 있게 되면 공기와 액체상의 굴절률 차이가 작아 액체상으로의 투과 광량이 증가하며, 따라서 반사광량은 감소하기 때문에 출력 전압값은 떨어진다. 이러한 광량 변화를 포착하여 기체상과 액체상을 검출한다.
한편, OFP에 의한 미소 노즐 내부의 액막계측 실험은 다음과 같은 순서에 따라 이뤄졌다.
① 수증기 발생장치(물은 미국 Millipore사 기준의 초순수 물(ultrapure water)을 사용)에서 수증기가 압력조 정 밸브를 거쳐 물-수증기 2유체 노즐로 보낸다.
② 압력 탱크 내부의 초순수 물을 같은 노즐 측벽으로 유입시킨다.
③ OFP법의 계측 성능을 검증하기 위해서 내부 유동을 가시화할 수 있는 합성 석영제 노즐을 사용한다.
④ 교정 실험과 불규칙파(random wave)를 이용한 수치해석을 실시한다.
미소 구경 노즐 내부의 액막 두께를 광섬유 탐촉자에 의하여 계측하는 새로운 방법을 제안하고, 물-수 증기 2유체 노즐을 이용한 실험에 의하여 그 타당성과 정밀도를 검증하였다. 그 결과 액막의 평균 두께, 평균 진폭과 함께 변동 주기를 올바르게 계측할 수 있었다.
출처 : 三橋佑規, 齊藤隆之, “光ファイバープローブによる水-水蒸氣二流體ノズル內の掖膜計測”,「冷凍(日本)」,
86(1004), 2011, pp.473~474
원문파일 첨부
관련링크 : http://www.reseat.re.kr/Monitor1R.do?method=read
출처 : 한국과학기술정보 연구원
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