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물의 정전분무에 관한 실험적 연구: 분무 불안정과 액적 분열 특성 = Experimental study on water electrospray: Characteristics of jet instability and droplet generation
서명 / 저자 물의 정전분무에 관한 실험적 연구: 분무 불안정과 액적 분열 특성 = Experimental study on water electrospray: Characteristics of jet instability and droplet generation / 박인용.
저자명 박인용 ; Park, Inyong
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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There are tremendous experimental studies about droplet generation using elec-trospray. Although a lot of liquids were used in electrospray researches, there are lack of stud-ies on the electrospray of water because most of researchers thought characteristics of elec-trospray of water is identical to solvents which are easily applicable to electrospray such as alcohol, ethylene glycol and so on. In addition, there were no visual evidence of the stable electrospray modes of water until the observation of electrospray modes of water. Kim et al. showed that unstable electrospray modes (ramified, spindle mode, oscillating and rotating cone jet modes) are dominant for water and the stable electrospray of water is possible very restricted operating flow rates and applied voltages.(H.-H. Kim et al., 2011) These two split arguments leads to a controversial situation in electrospray of water. To resolve this problem, we visualized electrospray of water over a wide range of the flow rate condition and found out the distinct stable electrospray modes of water in relatively wide range of operating flow rates and applied voltages. To the best of our knowledge, this is the first classification of electrospray of water by detailed visual observation. In the present study, We report an experimental study of the electrospray of water in air at atmospheric pressure. A ceramic capillary with an inner diameter of 20 μm was used as an EHD spray nozzle. We observed the structure of the meniscus and jet at flow rates in the range 0.1?4 ml/h using sub-nanosecond pulsed laser illumination, and identified three distinct regimes of EHD spraying based on the shape of the meniscus and motion of the jet; i.e., a straight jet, a transition regime, and a whipping jet regime. Based on these observations, we identified the stable operating regimes for electrospray of water. I. Straight jet regime: In the straight jet regime, the jet maintained a stable and straight shape, and broke up into droplets due to varicose instabilities. This regime can also be subdi-vided into three modes according to the shape of the meniscus and jet: micro dripping, cone-jet and tilted-jet modes. At the low applied voltage, the meniscus has an elongated hemispher-ical shape; i.e., the micro dripping mode. As the applied voltage increased, the meniscus be-came conical in shape, which is the well-known cone-jet mode. When the applied voltage in-creased further, the meniscus shrank and the jet became tilted from the center axis of the noz-zle, forming a tilted-jet mode. The change in the form of the meniscus can be explained by considering the balance between electric and inertial forces. Since the electric normal stress acts in the direction opposite to the inertia of the liquid, the meniscus became smaller as the applied voltage increases. The breakup length was proportional to the flow rate, which is con-sistent with the conventional characteristics of jets with laminar flow. II. Transition regime: The changes in the shape of the meniscus as the applied voltage increased, which exhibited a trend similar to the straight jet regime; however, as the flow rate increased, the jet became thicker than in the straight regime. At voltages near to the onset of jetting, the jet broke up into droplets due to varicose instabilities, which is similar to the micro dripping mode. The jet became sinusoidal as the applied voltage increased further, as shown in Fig. 3b, and broke up into droplets due to kink instabilities, and satellite droplets appeared. A transition to a tilted straight jet occurred as the applied voltage increased further. III. Whipping regime: In this regime, the meniscus and jet were indistinguishable. Simi-lar to the previous regimes, the jet disintegrated into droplets due to varicose instabilities near the onset voltage of jetting, however, in contrast to those regimes, uneven fission of the result-ing droplets was observed. It follows that the electric charge on the generated droplets ap-proached the Rayleigh limit. As the applied voltage increased, the jet began to oscillate in both the radial and axial directions, and the amplitude of the oscillations increased further down-stream. The jet became thinner before it broke up into droplets due to kink instabilities. This dynamic behavior of the jet is similar to electrospinning of highly viscous polymer solutions. When the applied voltage increased further, the whipping motion of the jet disappeared, and a tilted jet was observed.

정전분무법은 정전기력을 이용하여 액체를 미립화할 수 있는 기술로서, 수 십 마이크로 미터 이하의 액적을 연속적으로 생산할 수 있는 기술이다. 물을 정전분무의 작동유체로 이용할 경우, 물의 물성이 가지는 높은 표면장력과 높은 전기전도도로 인하여, 공간방전이 없는 안정된 분무조건이나 연속된 액적 생성조건을 만들기 힘든 기술적 어려움을 가지고 있다. 본 연구에는 작은 내 경을 가지는 노즐을 이용할 경우 안정된 분무가 가능한 작동조건이 있음을 분무가시화를 통해서 확인하였다. 이 때 정전분무 작동조건은 0.1 ~ 4.0 ml/h 의 유량범위에 대해서 분무 모드를 구분하고 각 모드 별 분무 특성을 분석하였다. ? 물의 정전분무는 Taylor cone의 형상과 액적이 분열되는 불안정성의 차이를 통해서 3가지 분무영역으로 구분하였다. 1) Straight jet regime 직선화 젯 영역에서의 분무특성은 기존의 정전분무와 유사한 Taylor cone의 형성 및 미세 액적의 연속적인 분무조건이 존재하는 것을 관찰하였다. 액적은 정맥류 형 불안정성에 의해 미립화되고, 이때의 평균입경은 공급유량에 1/3승에 비례하는 관계를 가진다. 각각의 경우 생성된 입경의 크기 분포는 평균입경에 매우 집중된 단 분산분포를 가짐을 영상처리법을 이용한 액적의 입경 측정결과를 이용하여 확인하였다. 전하이완길이와 관성길이의 비를 통해서 직선화 젯 영역은 약 1.0 ml/h의 유량의 상한선을 가짐을 확인하였다. 직선화 젯 영역에서는 약 5 ~ 10μm의 평균입경을 가지는 액적을 생산할 수 있고, 공급유량 또는 인가전압의 변화를 통해 평균입경을 쉽게 조절 할 수 있다. 2) Transition regime 유량의 증가로 인해서 젯 전반에 걸쳐서 관성력의 영향이 지배적이게 되며, 이로 인해 대칭적인 정맥류 형 불안정성에서, 파형의 불안정성으로 액적의 분열 원리가 변화하는 특징을 관찰하였다. 이 때의 젯에 작용하는 불안정성이 젯의 상류와 하류 양쪽으로 전달되어 젯의 형상은 매우 불안정하고 일정한 규칙적인 분무 특성으로 구분하기 어렵다. 3) Whipping regime 젯 전반에 걸쳐서 작용하는 파형의 불안정성은 젯의 관성력이 증가함에 따라서 불안정성의 전달방향이 유동의 하류로만 전달하게 되어 축 방향으로 나선형으로 크게 회전하는 whipping jet의 양상을 가진다. whipping 운동을 통해서 젯은 길이 방향으로 길게 변형되고, 이 과정에서 젯의 두께가 축 방향으로 크게 변하는 현상을 이용하여 미세 젯을 생성하고 젯의 끝 단에서 미립화 하는 분무 구조를 가진다. 이 때, 젯의 두께는 축 방향으로 -1/4 승에 멱 함수로 감소하는 특성을 가지며, 본 연구에서 설정한 유량 및 전압범위에 대해서 두 가지 무 차원수 웨버 수 와 전기적 본드 수를 이용하여 전반적인 젯의 두께를 예측할 수 있는 실험식을 제안하였다. 본 연구에서는 기존의 연구에서 기술적 어려움으로 고려되던 물의 정전분무에 대한 안정된 작동조건을 제안하였다. 또한 제안된 시스템에서 작동조건에 따라 변화하는 분무현상을 초고속 카메라를 이용하여 관찰하고, 얻어진 이미지를 이용하여 분무 고유의 특성을 파악하였다. 본 연구에서 설정한 직선화 젯 분무영역에서 물은 기존의 정전분무원리와 동일한 특성으로 미립화 되고, 기존의 정전분무가 가지는 단 분산 미세 액적의 연속 제조 특성이 고유하게 유지됨을 확인하였다. 물을 이용할 경우 자연상태에서 존재하는 완벽한 생 적합성 용매로써 사용될 수 있는 물의 높은 잠재적 활용도를 이용한다면 생물, 재료, 생명공학 등의 분야로의 다양한 활용 가능성이 기대된다. 본 연구에서 제안한 액적 발생특성을 통해서, 생성 액적의 평균 입경을 예측하거나 원하는 액적의 크기에 대한 작동조건을 쉽게 도출할 수 있는 작동조건에 대한 액적 특성의 가이드라인을 제시하는 역할로 활용도가 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 15032
형태사항 xi, 131 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Inyong Park
지도교수의 한글표기 : 김상수
지도교수의 영문표기 : Sang Soo Kim
부록 수록
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
주제 정전분무

분무 모드
콘젯
휘핑 젯
분무 불안정
electrospray
water
spray mode
cone-jet
whipping jet
jet instability
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