Recently, improving the fuel efficiency and reducing pollutant emission became the most important issues in the field of combustion engineering. Water emulsified fuels could reduce NOx emissions by lowering the flame temperature, and an improvement in thermal efficiency could be expected due to atomization of emulsion droplet called as ‘micro-explosion’ phenomenon. The combustion of emulsion would be different and complex from ordinary pure fuel. To understand combustion phenomena of the emulsion, fundamental studies on properties of emulsion are necessary. In addition, the studies of breakup and ignition characteristics of emulsion droplet are important for understanding combustion processes within the combustors. Three representative properties of the emulsion (i.e., surface tension, dynamic viscosity, and energy absorbance) were estimated in advance, and the breakup and ignition characteristics of the droplet were investigated. The emulsions were prepared by mixing three kinds of fuels with water. Three representative properties were measured by independent ordinary methods. After that, a dynamic method was newly proposed to estimate the properties using a dynamic behavior of the emulsion droplets. An oscillation of the droplet was induced from a pulsed laser, and the properties were estimated based on the Taylor Analogy Breakup model. More reliable properties of the emulsion droplet were suggested, and effects on the internal structure of the emulsion were discussed. According to the pulsed laser’s energy and mixture fraction of fuel, deformation of the droplet and breakup into secondary droplets were observed. Various dynamic behaviors were classified and effective Weber number was proposed to elucidate the deformation and characteristics of secondary droplets. Some empirical relations were suggested using the scale analysis for the maximum swelling diameter, number of secondary droplets and their size depending on the effective Weber number. Furthermore, a relationship between ignition of the emulsion droplet after breakup and the input energy was discussed.
최근의 환경적인 문제로 인해 유해 배기물질의 저감과 더불어 높은 열적 성능의 달성은 연소기 설계 및 연구에 있어서 중요한 목표이며, 이에 대해 가스터빈과 내연기관의 대체연료로써 물-에멀전 연료에 대한 연구가 수행되고 있다. 에멀전 연료는 연소실 내부에서 화염온도를 감소시켜 질소산화물 저감을 기대할 수 있으며,‘미세폭발’로 알려진 미립화 기구를 통해 향상된 열적 효율을 달성할 수 있다는 장점이 기존 연구들에 의해 제시되고 있다. 이러한 에멀전의 미세폭발은 연료 액적 내부에 분산된 미세 사이즈의 물 액적의 급격한 상변화로 인한 것으로 알려져 있다. 따라서 에멀전 액적의 미립화와 연소현상은 순수 연료와는 다르며, 우선 에멀전의 상태량, 분열 및 점화특성 대한 선행적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 단일 에멀전 액적의 상태량에 대해서 선행적으로 제시되었으며, 액적의 미립화 및 점화 특성에 대해 논의하였다. 에멀전 연료들은 노말데칸, 노말도데칸, 노말헥사데칸 3가지 연료를 각각 물과 계면활성제를 혼합하여 제작하였다. 먼저 에멀전의 분열에 영향을 미치는 상태량인 표면장력과 점도, 에너지 흡수율을 일반적인 측정 방법을 이용하여 측정하였고, 에멀전 액적의 동적 거동을 이용하여 3가지 상태량을 동시에 측정할 수 있는 동적 방법이 제시되었다. 펄스 레이저를 이용, 단일 에멀전 액적에 에너지를 투입하여 동적 거동을 유도할 때 액적이 진동하고, Taylor Analogy Breakup 모델을 기반으로 진동운동으로부터 상태량을 예측하였다. 동적 방법으로 측정된 상태량과 기존에 사용된 일반적인 방법의 비교를 통해 측정 방법의 차이와 에멀전 내부 구조에 대한 영향이 논의되었고, 에멀전 액적에 적용될 수 있는 유효 상태량들이 제시되었다. 다음으로 펄스 레이저 에너지와 에멀전 연료 혼합비에 따른 다양한 동적 거동들의 파악 후, 대표적인 4개의 영역으로 구분하여 영역 구분 선도를 제시하였다. 에너지의 증가에 따라서 발생하는 액적의 변형 및 2차 액적들의 특성을 설명하기 위해 유효 웨버수가 제안되었고, 유효 웨버수에 따른 최대 변형직경, 2차 액적의 개수 및 크기에 대해서 스케일 분석으로 실험적인 관계식을 제시할 수 있었다. 나아가 에멀전 액적의 분열 후 점화 발생을 위한 에너지 투입 조건과 화염의 특성에 관하여 논의되었다.
