패턴화

패턴화는 스프레이 내 입자의 특정 성질에 대한 정량적 측정을 수행하고 스프레이 내 이 특정 성질의 패턴을 시각화하는 전문 기술 기술이다. 패턴화를 이해하기 위해서는 스프레이가 일상생활에서 하는 역할을 고려해야 한다.^[1]

스프레이의 사용

스프레이는 여러 가지 용도가 있다. 아서 르페브르에 따르면, 자연적인 형태로, 스프레이는 폭포 연무, 비, 해양 스프레이에 나타난다.^[2]

가정 내에서는 샤워, 정원 호스, 스프레이 페인트 캔, 헤어 스프레이, 탈취제 스프레이 등에 스프레이를 사용한다. 산업용 스프레이 사용에는 스프레이 건조, 코팅, 세척 및 세척이 포함된다.

많은 내연기관에서도 연료를 연소실로 직접 분산시켜 공기와 혼합시켜 고압과 온도에서 자연발화시키거나 스파크 플러그를 이용해 점화시킬 수 있도록 하는 스프레이를 사용한다.^[2]

스프레이 패턴화의 중요성 이해

분무 패턴화는 IC 엔진, 터빈, 분무 코팅, 분무 건조, 농업 및 소비자 제품을 포함한 다양한 용도에서 중요하다. 예를 들어 패턴화의 비대칭은 도장 시 표면 마감 품질과 스프레이 건조 시 제품 품질 저하에 직접 영향을 미친다.^[3] 마찬가지로, 가스 터빈에서는 스프레이 패턴의 변화가 연료 희박과 연료가 풍부한 포켓으로 이어져 터빈 마모가 과도하고 미립자 배출량이 증가한다.^[4]

계량 흡입기의 경우, 약물의 최대 양이 목구멍 통로를 통해 폐로 들어가도록 하기 위해 스프레이의 패턴이 매우 중요하다.^[5] 농업 노즐에서 스프레이의 패턴은 식물에 대한 살충제와 비료의 공급을 최적화하기 위해 중요하다. 분무 건조는 물방울 크기를 세밀하게 제어해야 한다. 일반적으로 건조기 내 총 낙하 표면적을 증가시키면 증발률이 높아지고 공정 효율이 높아진다.^[6] 마찬가지로, 제약 태블릿은 완벽해야 하는 분무기로 만들어진 분무기에 박막 표면 코팅이 되어 있다. 이 코팅은 맛뿐만 아니라 수분으로부터 태블릿을 밀봉하여 저장 수명을 향상시키고, 약의 방출 속도를 조절하여 느리고 연장된 방출 태블릿을 만드는 등의 핵심 기능을 수행한다.^[7]

과학자들이 스프레이 패턴을 연구하는 방법

스프레이 패턴은 패턴레이터라고 알려진 진단 도구를 사용하여 연구한다. 패턴레이터는 분무기에서 방출되는 물방울의 공간 위치를 정량화하고 분무 패턴을 시각화한다. 기계와 광학에는 다른 종류의 패턴레이터가 있다.

기계식 패턴화기

기계식 패턴화기를 침입식 패턴화기라고 한다.

그들은 일반적으로 작은 용기에^[8] 액체의 질량을 모으거나 종이에 색을 분사하여 지역 정보를 제공하기 위해 무게를 재는 패턴을 살펴본다. 기계식 패턴기는 매우 정확하지 않고 다수의 체계적이고 무작위적인 오류에 시달린다.또한^[10] 스프레이 패턴 자체를 방해하며, 일반적으로 스프레이 패턴에 대한 정확한 데이터를 얻기에는 적합하지 않다.

광학 문양기

기계적 패턴화의 오류를 피하기 위해서는 패턴화 기법이 광학이어야 한다는 것이 일반적으로 받아들여진다.

광학 패턴기는 질량 플럭스가 아닌 낙하 표면 영역의 분포를 제공한다. 많은 경우에 이것은 질량, 운동량, 에너지와 종은 분무에 있는 물방울의 표면적 밀도에 정비례한다.^[11] 광학 패턴기의 주요 유형은 (a) 레이저 시트를 사용하는 것, (b) 평면 액상 레이저 유도 형광 투시법을 사용하는 것, (c) 레이저 소멸 단층촬영법을 사용하는 것 등 세 가지가 있다.

레이저 시트 사용

첫 번째는 레이저 시트를 사용하여 분사 방향 또는 분사 방향을 따라 직교하는 평면을 조명하고, 비축 카메라를 사용하여 산란된 빛의 이미지를 포착하는 것이다.^[12] 산란 강도는 국부 낙하 표면적 밀도에 비례한다고 가정한다.

평면 액상 레이저 유도 형광 사용

두 번째 유형의 패턴레이터는 평면 액상 레이저 유도 형광체의 사용에 기초한다. 액체는 일부 형광 물질과 혼합되어 있고 고출력 레이저 시트로 조명된다. 결과 형광 영상을 캡처하고 분석하여 스프레이 내 국소 질량 농도를 제공한다.^[13]

이 두 방법 모두 레이저 소멸, 신호 감쇠, 2차 방출로^[14] 인한 심각한 오류를 가지고 있다.

레이저 소멸 단층 촬영 사용

세 번째 광학 패턴레이터 세트는 레이저 소멸 또는 레이저 소멸 단층 촬영에 기초한다.^[16]

레이저 소멸 단층촬영 시스템은 국부 낙하 표면적 밀도(특정 위치에서 단위 부피당 낙하 횟수에 낙하 표면적을 곱한 값)를 제공한다. 이 양은 방울의 증발에 정비례하며 연소 및 분무 건조와 관련된 용도에 매우 중요하다.

사진은 멸종 단층 촬영에 기반한 광학 패턴기를 사용해 가솔린 직분사기(GDI)를 테스트한 결과를 보여준다. 이 광학 패턴기는 고밀도 스프레이를 분석하는 데 사용할 수 있다.^[17]

참조