Experimental study on the particle dispersion in a particle-laden jet with a crossflow

Abstract

직교류 내 고체입자 포함 제트 유동은 제조 시설과 같은 산업 현장이나, 화산이나 화재 현장과 같이 자연에서도 흔히 발생하는 유체역학적 현상이다. 직교류 내 제트 유동 내에서는 복잡한 와류 구조들이 생성되기 때문에, 이러한 와류 구조에 의한 고체입자 분산 메커니즘에 대한 이해는 다양한 유형의 유동 구조들에 적용 가능하다. 본 연구에서는 제트 출구 근처에서 국부적으로 불어오는 직교류 내 고체입자 포함 제트 유동에 대해 와류 구조와의 상호작용을 통한 고체입자 분산(농도)를 실험적으로 관찰하였다. 요약하자면, 본 논문은 1) 직교류 내 고체입자 포함 제트 유동 내에서 발생하는 다양한 고체입자 분산 패턴들뿐만 아니라 2) 유동 내 미세 액적 함량에 따른 입자 거동 제어 방법론까지 포함한 고체입자와 공기 유동 사이의 상호작용에 대한 종합적인 분석으로 구성되어 있다. 먼저, 고체입자 분산 패턴과 분산 메커니즘들은 다양한 유동 속도비(제트/직교류 R = 1.0 – 3.5)와 입자 Stokes number(St = 0.01 – 27.42)에 대하여 관찰되었다. 직교류가 없을 때는, 수평 방향을 따라 지지배적인 와류 구조가 존재하지 않기 때문에 대부분의 입자가 수직방향으로 상승하며 제트 중심 밖으로 분산되지 않는다. 반면, 직교류가 있는 경우에는, 제트 출구 위에서 counter-rotating vortex pair (CVP)가 형성되며 CVP의 세기는 R이 감소할수록(제트가 더 꺾일수록) 증가한다. R이 작을수록 CVP에 의해 입자에 작용하는 항력의 크기가 증가하고, 특히, St가 1 미만으로 매우 작은 입자들은 이러한 항력이 입자 거동에 가장 중요하게 작용한다. 따라서, CVP가 발달하는 시기에 많은 양의 입자들이 CVP에 의해서 제트 중심 바깥으로 분산된다. St가 1에 가까운 경우에는, 항력 방향의 전환에 의해서 입자들이 CVP 내부 (특히 제트 중심)에 머물게 된다. 다양한 Stokes number와 R에 대해 관찰된 분산 패턴들은 최종적으로 3가지 유형으로 분류가 되었고, 분산 메커니즘들은 경험적 입자 분산모델까지 확장된다. 이러한 입자 분산 특성 규명 연구에 이어서, St < 1의 입자가 공기 중 미세 액적과 상호작용할 때 발생하는 입자 분산 특성 변화를 실험적으로 관찰하였다. 해당 실험에서는 친수성(Si)과 소수성(PTFE) 입자의 거동 변화를 직교류 내 다양한 미세 액적 부피분율 조건(0%, 0.014% & 0.03%)에 대하여 분석하였다. R = 2.85인 유동에서는 Si와 PTFE 입자 모두 미세 액적의 양과 관계없이 항상 일정한 거동 특성을 보였다. 높은 속도비의 유동에서는 jet 내부로의 적은 직교류 유량 때문에 약한 CVP가 발생하므로 입자들이 미세 액적과 상호작용할 확률이 현저히 낮아지기 때문이다. 반면에 R = 1.1인 경우, 유동 내 미세 액적 분율이 높을 때 Si 입자가 제트 중심쪽에 우위적으로 집중되어 먼 위치까지 분산되는 입자 양의 증가한다. 이러한 현상은 입자와 액적사이의 상호작용에 의하여 입자가 제트 중심쪽으로 항력을 받게 되어, CVP 외부로 거의 분산되지 않기 때문에 발생하는 현상이다. PTFE 입자는 낮은 R의 유동에서도 미세 액적의 영향을 받지 않아 분산 특성이 변하지 않았다.

A particle-laden jet with a crossflow is a common phenomenon in industrial sites, such as manufacturing facilities, and in nature, such as volcanoes and fires. Since complex vortex structures are generated in the jet with crossflow, an understanding of the mechanisms of solid particle dispersion by these vortex structures is applicable to lots of different types of flow structures. In the present study, particle dispersions (concentrations) through vortical interactions are experimentally investigated for a particle-laden upward jet, with a horizontal crossflow covering a vertical range partially near the jet exit (Reynolds numbers of 1170–5550). In summary, this paper consists of a comprehensive analysis of the interaction between solid particles and air flow, including 1) various solid particle dispersion patterns occurring in the particle-laden jet with crossflow, and 2) a methodology for changing particle behavior based on the mist droplet content in the flow. Firstly, solid particle dispersion patterns and dispersion mechanisms were observed for various flow velocity ratios (jet/crossflow = R = 1.0 - 3.5) and particle Stokes numbers (St = 0.01 - 27.42). Without crossflow, there is no dominant vortical structure along the horizontal direction; thus, the particles are not dispersed significantly out of the jet core in most cases. With crossflow, on the other hand, counter-rotating vortex pairs appear above the jet exit and become stronger as the velocity ratio decreases. The smaller R increases the magnitude of the drag force exerted on the particles by the CVP, and especially for very small particles with St less than 1, this drag force is the most important factor in particle behavior. Therefore, during the period of CVP development, a large amount of particles are dispersed out of the jet center by the CVP. When St is close to 1, the particles are kept inside the CVP (especially in the jet center) by a change in drag direction. The observed dispersion patterns for various Stokes numbers and R were finally categorized into three regimes, and the dispersion mechanisms were extended to empirical particle dispersion models. Following this study, we experimentally observed the changes in particle dispersion patterns that occur when particles with St < 1 interact with mist droplets in the air. In these experiments, the changes in the behavior of hydrophilic (Si) and hydrophobic (PTFE) particles were analyzed for different mist droplet volume fraction conditions (0%, 0.014% & 0.03%) in the crossflow. For R = 2.85, both Si and PTFE particles always exhibited constant behavior regardless of the amount of mist droplets. This is because at high velocity ratio flow, the less entrainment crossflow into the jet causes weak CVP, which significantly reduces the probability of particles interacting with mist droplets. On the other hand, for R = 1.1, when the mist droplet fraction in the flow is the highest, Si particles are preferentially concentrated at the center of the jet, increasing the amount of particles dispersed to distant locations. This occurs because the interaction between the particles and the droplets causes the particles to be dragged towards the center of the jet, so they disperse very little outside the CVP. The PTFE particles were not affected by the mist droplets even at low R flow.