Laser ignition is a new type of ignition system, operated by focusing a laser beam into one single point for igniting fuel. It is spotlighted with its high energy density and flexibility for optimizing timing and location of ignition. With the increasing demand of performance and emission control, this laser spark method is regarded as an alternative way of igniting fuel to the conventional electric spark-plug ignition system.
There is little research describing hydrodynamic effects between fuel droplet and laser spark. These interactions can affect severely to following flame propagation, which decides the quality of final combustion. Therefore, this study aims at characterizing the movement between gaseous flow and laser spark (so called, LIP, laser-induced plasma).
After creating LIP by focusing the laser beam, we took the time-resolved image by high-speed camera based on PIV technique. The velocity field before and after the creation of plasma could be measured by the adaptive correlation. Through virtual trajectory analysis, which is based on the interpolation of velocity fields from initial points, lets us deduce the position and angle of each trajectory affected by LIP.
Our study suggests a quantitative way to describe the interaction of LIP and flow. Velocity fields analysis of single and double-point LIP shows the statistics of LIP with the information of system’s characteristic time. Through the virtual trajectory analysis, we can trace the time-resolved trajectories with the information of position and angle at each point.
In conclusion, our study helps to understand the dynamic influence of LIP to gaseous flow. Based on velocity fields and virtual trajectory analysis, it is possible to characterize the system quantitatively with the knowledge of characteristic time, time-resolved local angle and position. This work can be extended with liquid fuel droplet, with higher inertial effect. Eventually, we hope this study to be the basic step to predict the hydrodynamics of flame generation in laser ignition.
레이저 점화는 특정 위치에 레이저 빔을 집중시킨 에너지를 이용해 연료를 점화하는 방식으로, 높은 에너지 밀도 및 점화시기와 위치를 최적화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 최근 고고도 기상 환경에서의 비행 및 차량 배기 가스 제어에 대한 성능 향상 요구가 증가 함에 따라, 레이저 점화방식은 기존의 전기 점화 플러그 시스템의 대체제로서 주목을 받고 있다.
레이저 점화에서 연료 분무와 레이저 스파크 사이의 유체역학적 상호 작용은 최종 연소의 성패를 결정하는 커널 생성 및 화염 전파에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그럼에도 불구하고, 레이저 스파크로 유도되는 충격파와 주위 유동에 대한 유체역학적 효과에 대한 연구는, 커널 자체나 화염전파 특성과 비교하여 현재까지 활발히 논의되고 있지 않다. 따라서, 본 연구는 그 기초 단계로서 기체 유동과 레이저 스파크 (레이저 유도 플라즈마) 사이의 유체역학적 상호작용을 특성화하는 것을 목표로 한다. 레이저 유도 플라즈마의 유동에 대한 유체 역학적 효과를 분석하고, 시간에 따른 유동의 위치 및 각도 정보를 정량화하고자 한다.
유동의 정량화를 위해서, 레이저 빔을 집속하여 레이저 유도 플라즈마를 생성 한 후, 입자영상유속계 기술에 기반하여 연속된 이미지를 촬영한다. 적응 상관법을 이용하여 플라즈마 생성 전후의 유동 속도 장을 계산한 후, 보간법을 기반한 가상 경로 분석을 통해 레이저 유도 플라즈마의 영향을 받는 각 유동의 위치와 각도를 추정할 수 있게 된다. 이 정보를 활용하여 레이저 유도 플라즈마가 유동에 미치는 영향을 정량화 할 수 있다.
본 연구는 레이저 유도 플라즈마와 유동의 상호 작용을 기술하는 양적 방법을 제안한다. 단일 및 이중 점 레이저 유도 플라즈마에 대한 속도 장 분석은, 시스템의 특성 시간을 바탕으로 레이저 유도 플라즈마 시스템을 통계적으로 분석할 수 있게 한다. 가상 경로 분석을 통해서는, 각 유동의 각 시간간격에 따라 영향을 받은 가상 경로의 위치 및 각도 정보를 추적 할 수 있으므로, 이를 통해 레이저 유도 플라즈마 효과에 의한 물리적 현상을 정량적으로 관찰 할 수 있게 된다.
결론적으로, 본 연구는 레이저 유도 플라즈마에 의해 영향을 받는 기체 유동의 역학을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 속도 장 및 가상 경로 분석을 기반으로 특성 시간, 시간 분해 된 로컬 위치 및 각도에 대한 정보를 사용하여 시스템을 정량적으로 특성화 할 수 있다. 본 연구는 레이저 유도 플라즈마와 액상 연료 방울에 대한 상호작용 분석으로 확장 될 수 있다. 최종적으로, 본 연구는 레이저 점화에서 화염 발생 메커니즘의 유체 역학을 모델링하는 것을 목표로 한다.
