KR100668122B1 - 다양한 환형슬릿을 가지는 스파이럴 노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 환형슬릿(4)을 가지는 스파이럴 노즐(5)에 관한 것으로, 스파이럴 노즐(5) 챔버(8)의 2차 유입구(2)에서 2차 유체(Q2)를 주입하는 환형슬릿(4)이 설치되고, 이 환형슬릿(4)은 축소노즐 입구의 곡률반경(R)과 축소노즐 입구반경(RL)을 가변적으로 변화시킬 수 있도록 구성하고, 환형슬릿(4) 이후에 원추형 축소노즐(7)을 설치하였다. 그리고 유동의 불균일성을 발생시키기 위해 환형슬릿(4) 입구에 피스가 없는 일반형(가) 또는 입구 부분에 3∼5개의 평판형 피스(9)를 가진 평판형(나) 또는 파형 피스(10)를 가진 파형(다) 형태의 환형슬릿(4)을 특징으로 하는 다양한 환형슬릿을 가지는 스파이럴 노즐 장치이다.
본 발명에서는 스파이럴 축소 노즐 입구에 설치한 다양한 환형슬릿을 이용하여 환형슬릿의 입구로부터 주입하는 반경방향의 유동형태를 변화시키는 구조를 제안한다. 환형슬릿의 입구형태를 변화시킴으로서, 스파이럴 노즐 출구로부터 방출되는 제트의 전파길이는 통상적인 축소노즐에 비하여 최소 5배 이상 증가하게 된다. 이 뿐만 아니라 제트의 확산이 현저하게 줄어들어, 제트를 이용하여 분체나 물체를 전송시키는 공업적인 응용에 활용할 수 있다.
선회제트, 스파이럴 제트, 스파이럴 노즐, 환형슬릿, 축소노즐, 코안다효과

Description

다양한 환형슬릿을 가지는 스파이럴 노즐{The Spiral Nozzle with Variety Annular Slit}
도 1은 일반적인 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 부분 확대도.
도 4는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 3차원 개념도 및 단면도.
도 5는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치의 환형슬릿(가, 나, 다)을 나타내는 확대도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 1차 유입구 2 : 2차 유체 유입구 3 : 유출구
4 : 환형슬릿 가 : 일반형 환형슬릿 나 : 평판형 환형슬릿
다 : 파(Wave)형 환형슬릿 5 : 스파이럴 노즐 6 : 노즐
7 : 축소노즐 8 : 챔버 9 : 평판형 피스(Piece)
10 : 파형 피스(Piece) Q1 : 1차 유동 Q2 : 2차 유체
D1 : 축소노즐 입구직경 D2 : 축소노즐 출구직경
R : 축소노즐 입구의 곡률반경 RL : 축소노즐 입구반경
.
본 발명에서 제안하는 다양한 환형슬릿을 가지는 스파이럴 노즐{The Spiral Nozzle with Variety Annular Slit}은, 축소 노즐 입구에 설치한 환형슬릿으로부터 반경방향으로 주입하는 기체가 노즐입구 부분의 곡면을 따라 유동하여, 축소노즐의 출구로부터 제트유동으로 방출되는 장치이다.
이러한 스파이럴 노즐을 통하는 유동은 통상적인 축소노즐 유동에 비하여, 제트의 전파길이가 길어지며, 제트유동에서 발생하는 난류현상이 현저하게 줄어들어, 제트의 확산이 작아지는 특성이 있다. 따라서 이러한 스파이럴 노즐유동의 장점을 이용하면, 고체입자나 분말의 수송, 연질재료의 절단, 광섬유의 전송, 의약품 제조공정, 각종 화공 및 플라즈마 에너지응용 장치 등, 다양한 분야에서 광범위하게 활용할 수 있다.
위와 같은 스파이럴 노즐 유동에 관해서는 몇몇 연구보고가 발표되어 있으나, 현재까지 스파이럴 제트에서 강한 스파이럴 유동의 발생기구 및 원인에 대해서는 충분히 이해되고 있지 않으나, 스파이럴 제트유동은 종래 비교적 많은 분야에서 응용되어 온, 선회제트{Swirl Jet}와는 성격상 매우 다르다는 것이 알려져 있다. 구체적으로 선회제트{Swirl Jet}는 강제와류{Forced Vortex}의 영역이 매우 크며, 축 방향 속도{Axial Velocity}는 중심축 부근에서 매우 낮은 분포를 가지게 되지만, 스파이럴 제트는 자유와류{Free Vortex}의 영역이 제트 중심축 부근까지 차지하게 되며, 제트 중심에서 큰 축 방향 속도 성분을 가지게 된다. 이로 인하여, 스파이럴 제트는 선회 제트에 비해 제트코어{Jet Core}영역이 길며, 제트의 확산{Diffusion}이 크지 않을 뿐만 아니라, 제트의 난류강도가 작다.
상기와 같은 스파이럴 노즐(5) 장치의 가장 일반적인 구조는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 상류쪽, 1차 유동(Q1)과 2차 유체(Q2)가 혼합되는 스파이럴 노즐(5) 부분, 그리고 하류쪽 부분으로 이루어져 있다. 비대칭형 2차 유체 유입구(12)에서의 2차 유체(Q2)는 노즐(16)과 환형슬릿(14)을 지나 스파이럴 노즐(5)내로 주입되면서 스파이럴 유동성분을 발생시키게 된다. 이 2차 유체(Q2)는 1차 유입구(11)에서의 1차 유동(Q1)을 수송시켜 환형슬릿(14)을 통과한 2차 유체(Q2)와 혼합한 고·기체유동(Q1+Q2)형태로 노즐을 지나 노즐 출구(13)에서 스파이럴 제트형태로 방출된다.
종래에 수행된 연구결과에 의하면, 스파이럴 노즐의 경우 스파이럴 성분의 발생원인 즉, 접선속도 성분의 발생원인을 환형슬릿{Annular Slit}으로부터 주입하는 반경방향 유동의 미소한 유동의 불균일성, 또는 순간적인 압력교란에 기인한다 고 하였으나, 상세한 기구에 대해서는 아직까지 의문점이 많이 남아 있다. 따라서 스파이럴 노즐의 설계는 주로 경험에 의한 시행착오의 형태로 행하여지고 있어, 스파이럴 노즐의 성능개선 및 보다 다양한 공업적 활용을 위해서는 체계적인 연구가 필요하다.
본 발명에서는 스파이럴 노즐에서 발생하는 스파이럴 유동의 발생 원인이 환형슬릿으로부터 주입하는 유동의 불균일성에 있다는 점에 착안하여, 환형슬릿의 입구로부터 주입하는 반경방향의 유동형태를 변화시키는 구조를 제안한다. 구체적으로 도 5의 그림 (나)에서 도시한 바와 같이, 환형슬릿을 몇 개의 유로로 분할하여 반경방향으로 주입하는 유동의 불균일성을 증대시켜 스파이럴 유동성분을 증가시켜, 제트코어의 길이를 증대시킬 수 있다. 또 도 5의 그림 (다)에서 도시한 바와 같이 환형슬릿의 입구형태를 파형{wavy}으로 하여 유입하는 유동의 불균일성 내지 압력교란을 증대시키는 구조를 제안한다. 이와 같이, 환형슬릿의 입구형태를 변화시킴으로서 스파이럴 노즐내부에서 발생하는 스파이럴 유동성분은 크게 증가할 것이며, 축소노즐 출구로부터 방출되는 제트의 전파길이는 통상적인 축소노즐에 비하여 최소 5배 이상은 증가하게 된다. 이 뿐만 아니라 제트의 확산이 현저하게 줄어들어, 제트를 이용하여 분체나 물체를 전송시키는 공업적인 응용에 활용할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 부분 확대도이다. 도 4는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 3차원 개념도 및 단면도이며, 도 5는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치의 환형슬릿(가, 나, 다)을 나타내는 확대도이다.
본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치의 구성도는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 상류쪽, 1차 유동(Q1)과 2차 유체(Q2)가 혼합되는 스파이럴 노즐(5) 부분, 그리고 하류쪽 부분으로 이루어져 있다. 2차 유체 유입구(2)의 2차 유체(Q2)는 노즐 챔버(8)와 환형슬릿(4)을 지나 스파이럴 노즐(5)내로 주입되면서 스파이럴 유동 성분을 발생시키게 된다. 이 2차 유체(Q2)는 1차 유입구(1)에서의 1차 유동(Q1)을 수송시켜 환형슬릿(4)을 통과한 2차 유체(Q2)와 혼합한 고·기체유동(Q1+Q2)형태로 스파이럴 노즐을 지나 스파이럴 노즐 출구(3)에서 스파이럴 제트형태로 방출된다. 여기서 환형슬릿(4)은 본 발명의 주목적인 스파이럴 유동의 발생원인인 유동의 불균일성을 보다 증가시키기 위하여, 다양한 형상의 환형슬릿(도 5의 그림 가, 나, 다)을 제안하였다. 그리고 축소노즐(7) 입구에 설치한 환형슬릿(4)으로 부터 반경방향으로 기체를 주입하는 경우, 유동은 노즐입구에서 발생하는 코안다{Coanda} 효과[유체(流體)가 만곡면(彎曲面)을 흐를 때 표면에 흡착하는 경향]에 의하여 노즐벽을 따라 유동하게 되며, 노즐출구(3)로부터 방출된다. 이러한 과정에 서 유동의 불균일성에 의하여 축소노즐(7) 내부에는 접선속도{Tangential Velocity}성분이 발생하게 되며, 축 방향의 속도분포는 급격한 구배를 가지게 된다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 부분 확대도를 개략적으로 나타내었다. 스파이럴 유동성분을 발생시키기 위하여 환형슬릿(4)을 통하여 2차 유체(Q2)를 주입한다. 이 2차 유체(Q2)는 1차 유입구(1)에서의 1차 유동(Q1)을 수송시켜 환형슬릿(4)을 통과한 2차 유체(Q2)와 혼합하여 고·기체유동(Q1+Q2)형태로 스파이럴 축소노즐(7)을 따라 스파이럴 노즐 출구(3)에서 스파이럴 제트형태로 방출된다. 그림에서 축소노즐 입구반경(RL)과 축소노즐 입구의 곡률반경(R)의 범위, 축소노즐의 출구직경(D2) 및 2차 유체(Q2)측 전압을 변화시켜 스파이럴 유동형태 및 노즐 출구에서 스파이럴 제트 유동장을 변화시킬 수 있다. 따라서 스파이럴 제트의 성능개선을 위해서는 환형슬릿(4)으로부터 주입하는 유체의 전압과 다양한 환형슬릿 형상(도 5의 그림 가, 나, 다) 등에 따른 노즐출구(3)로부터 방출되는 스파이럴 제트를 상세하게 규명할 필요가 있다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치를 나타내는 3차원 개념도 및 단면도를 도시하였다. 그림에서 노즐챔버(8)는 축소노즐(7)입구측에 설치되어 있으며, 환형슬릿(4)에 의하여 축소노즐(7)과 연결된다. 따라서 노즐챔버(8)내 2차 유체(Q2)는 환형슬릿(4)을 통해 노즐 내부까지 유입되며, 이 유입된 유동은 환형슬 릿(4)을 지나면서 나타나는 유동의 불균일성에 의하여 축소노즐(7)내에서 스파이럴 유동구조를 가지면서 노즐입구 측에서 유입되는 1차 유동(Q1)인 물체와 함께 노즐출구를 스파이럴 제트 형태로 분출되게 된다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 스파이럴 노즐 장치의 다양한 환형슬릿(가, 나, 다) 및 부분 확대도를 개략적으로 나타내었다. 환형슬릿은 스파이럴 유동의 불균일성을 발생시키기 위하여 일반형(가) 또는 평판형(나) 또는 파{Wavy}형(다) 환형슬릿을 구성하였다. 여기서 환형슬릿(4) 입구부분에 피스가 없는 일반형(가) 또는 3∼5개의 불연속성 형태인 평판형 피스(9) 또는 파형 피스(10)를 설치하였다. 일반형 환형 슬릿(가)에서 2차 유체(Q2)는 유입구로 유입되어 노즐 내부로 분출되면서 미소 불균일성에 의하여 자연적으로 스파이럴 유동을 발생시킨다. 평판형 환형슬릿(나)인 경우에는 2차 유체(Q2)가 3∼5개의 평판용 피스(9)를 제외한 환형슬릿 유입구로 유입되며, 이 때의 2차 유체(Q2)는 평판용 피스(9)에 부딪치게 하여 환형슬릿 내부에서 유동의 불균일성을 유발시켜 축소노즐 내에서 스파이럴 유동이 얻어지게 된다. 그리고 파형 환형슬릿(다)은 평판형 피스(9)를 없애고 환형슬릿 유입구에 파형피스(10)의 형태인 파형 형상으로 구성하였으며, 2차 유체(Q2)는 파형 피스(10)에 부딪히게 하여 환형슬릿(4) 내부에서 유로를 변화시켜 환형슬릿(4)내에서 평판형과는 다른 형태의 유동의 불균일성내지는 압력교란을 야기 시켜, 평판형 피스(9)와 유사한 스파이럴 유동을 축소노즐(7)내에 발생시킨다.
상기와 같이 환형슬릿(4)을 일반형(가) 또는 평판형(나) 또는 파형(다) 환형슬릿을 구성한 이유는 기존의 비대칭형 주입구를 가지는 환형슬릿에 2차 유체(Q2)를 유입할 경우, 스파이럴 유동의 비대칭성으로 인해 스파이럴 제트 형태가 크게 불안정하여 제트를 이용한 분체나 물체의 장거리 전송에 문제가 발생할 수 있기 때문에 환형슬릿(4) 형상을 기존과 다르게 구성하여 스파이럴 제트 형상을 안정된 형태로 하여 공업적 응용에 활용하기 위함이다.
상기와 같이 본 발명에 의한 스파이럴 노즐 장치는 다양한 환형슬릿을 적용하여 주입되는 유동의 불균일성을 증대시키고 스파이럴 유동성분을 증가시켜, 제트코어의 길이를 증대시킬 수 있다. 이로 인하여, 스파이럴 노즐 유동의 장점을 이용하면 고체입자나 분말의 수송, 연질재료의 전단, 광섬유의 전송, 의약품제조공정, 각종 화공 및 플라즈마 에너지 응용장치 등 다양한 분야에 광범위한 응용이 기대된다.

Claims (2)

  1. 챔버(8)의 2차 유입구(2)에서 2차 유체(Q2)를 주입하는 환형슬릿(4)이 설치되고, 상기 환형슬릿(4)의 축소노즐 입구의 곡률반경(R)과 축소노즐 입구반경(RL)을 가변적으로 변화시킬 수 있으며, 환형슬릿(4) 이후에 원추형 축소노즐(7)을 설치한 스파이럴 노즐에 있어서,
    상기 환형슬릿(4)은 입구 부분에 3∼5개의 평판형(나)인 평판형 피스(9)를 구비하거나 또는 파형(다)인 파형 피스(10)를 형성하거나 또는 상기 피스(9,10)가 없는 일반형(가)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다양한 환형슬릿을 가지는 스파이럴 노즐.
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