0.4 MW 급 분절형 아크 히터를 이용한 초음속 플라즈마 풍동 특성 실험 Experimental Analysis of a Supersonic Plasma Wind Tunnel Using a Segmented Arc Heater with the Power Level of 0.4 MW원문보기
0.4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 전북대학교 플라즈마 풍동의 초음속 유동 특성 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 실험에 사용된 분절형 아크 히터와 초음속 노즐은 16.3 g/s 의 질량유량에 대해 전극 당 150 A, 전체 300 A의 입력전류 조건으로 운전되었으며, 운전 결과 350 kW의 입력전력과 약 51.4 %의 열효율이 계측되었다. 이 때, 아크 히터 내 고엔탈피 플라즈마의 내부압력은 약 4 bar 로 측정되었으며, 이를 초음속 노즐을 통해 압력 45 mbar로 유지되는 진공쳄버 내로 팽창시킴으로써, 전체 엔탈피 11 MJ/kg을 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있었다. 전체 엔탈피 측정과 함께, 생성된 초음속 플라즈마 유동에 대해 원뿔각 $30^{\circ}$를 가진 원뿔 탐침을 삽입하여 경사 충격파와 이루는 각을 측정하였으며, 이 측정값들로부터, 발생된 초음속 플라즈마의 온도와 마하 수는 각각 약 2,950 K 및 약 3.7에 이를 것으로 예상되었다.
0.4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 전북대학교 플라즈마 풍동의 초음속 유동 특성 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 실험에 사용된 분절형 아크 히터와 초음속 노즐은 16.3 g/s 의 질량유량에 대해 전극 당 150 A, 전체 300 A의 입력전류 조건으로 운전되었으며, 운전 결과 350 kW의 입력전력과 약 51.4 %의 열효율이 계측되었다. 이 때, 아크 히터 내 고엔탈피 플라즈마의 내부압력은 약 4 bar 로 측정되었으며, 이를 초음속 노즐을 통해 압력 45 mbar로 유지되는 진공쳄버 내로 팽창시킴으로써, 전체 엔탈피 11 MJ/kg을 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있었다. 전체 엔탈피 측정과 함께, 생성된 초음속 플라즈마 유동에 대해 원뿔각 $30^{\circ}$를 가진 원뿔 탐침을 삽입하여 경사 충격파와 이루는 각을 측정하였으며, 이 측정값들로부터, 발생된 초음속 플라즈마의 온도와 마하 수는 각각 약 2,950 K 및 약 3.7에 이를 것으로 예상되었다.
Experimental analyses on a supersonic plasma wind tunnel of CBNU (Chonbuk National University) were carried out. In these experiments, a segmented arc heater was employed as a plasma source and operated at the gas flow rates of 16.3 g/s and the total currents of 300 A. The input power reached ~350 k...
Experimental analyses on a supersonic plasma wind tunnel of CBNU (Chonbuk National University) were carried out. In these experiments, a segmented arc heater was employed as a plasma source and operated at the gas flow rates of 16.3 g/s and the total currents of 300 A. The input power reached ~350 kW with the torch efficiency of 51.4 %, which is defined as the ratio of total exit enthalpy to the input power. The pressure of plasma gas in the arc heater was measured up to 4 bar while it was down to ~45 mbar in a vacuum chamber through a Laval nozzle. During this conversion process, the generated supersonic plasma was expected to have a total enthalpy of ~11 MJ/kg from the measured input power and torch efficiency. In addition to the measurement of total enthalpy, a cone type probe was inserted into the supersonic plasma flow in order to estimate the angle between shock layer and surface of the probe. From these measurements, the temperature and the Mach number of the supersonic plasma were predicted as ~2,950 K and ~3.7, respectively.
Experimental analyses on a supersonic plasma wind tunnel of CBNU (Chonbuk National University) were carried out. In these experiments, a segmented arc heater was employed as a plasma source and operated at the gas flow rates of 16.3 g/s and the total currents of 300 A. The input power reached ~350 kW with the torch efficiency of 51.4 %, which is defined as the ratio of total exit enthalpy to the input power. The pressure of plasma gas in the arc heater was measured up to 4 bar while it was down to ~45 mbar in a vacuum chamber through a Laval nozzle. During this conversion process, the generated supersonic plasma was expected to have a total enthalpy of ~11 MJ/kg from the measured input power and torch efficiency. In addition to the measurement of total enthalpy, a cone type probe was inserted into the supersonic plasma flow in order to estimate the angle between shock layer and surface of the probe. From these measurements, the temperature and the Mach number of the supersonic plasma were predicted as ~2,950 K and ~3.7, respectively.
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문제 정의
4 MW 급 초음속 플라즈마 풍동 장치가 전북대학교에서 국내 최초로 구축되고 있다. 이 두 풍동 장치는 모두 분절형 아크 히터를 초음속 플라즈마 발생기로서 채택하고 있는데,[13-14], 본 연구에서는, 이 중, 0.4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 플라즈마 풍동의 초음속 유동 특성에 대한 실험결과를 분석하였다. 실험에 사용된 분절형 아크 히터는 최대 출력에 가까운 약 350 kW의 입력전력 조건에서 운전되었으며, 이로부터 나오는 초음속 플라즈마에 대해, 원뿔형 탐침을 사용하여 유동의 마하 수를 측정하였다.
제안 방법
이와 같은 관찰결과를 바탕으로, 본 논문에서는 노즐 출구 이후의 영역에서 shock node에 의한 영향이 상대적으로 작을 것으로 기대되는 Fig. 4(a)의 조건에서 마하수 및 전체 엔탈피 측정 실험을 수행하였다. 먼저, Fig.
(a)의 초음속 플라즈마 유동의 마하 수를 알아보기 위해, Fig. 5와 같이 플라즈마 제트 속으로 원뿔각이 30°인 원뿔형 탐침을, 노즐 출구로부터 105 mm 떨어진 지점에 삽입하여 원뿔에 의해 발생하는 충격파의 각도를 측정하였다.
0.4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 초음속 플라즈마 풍동의 동작 특성을 파악하기 위해, Ar 가스 약 0.83 g/s, 공기 약 15.51 g/s 로 구성된 혼합가스 16.3 g/s 를 아크히터 내부로 주입하고, 전극당 150 A, 전체 300 A의 직류 전류를 인가하여 플라즈마 유동을 발생시켰다. 해당 전류 및 공기 유량 조건에서, 입력전력 P0는 350 kW 로 측정되었으며, 아크 발생 시, Fig.
0.4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 플라즈마 풍동의 초음속 유동에 대한 특성 평가 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 먼저, 실험에 사용된 분절형 아크 히터와 초음속 노즐은 16.
진공 펌프의 후단은 요소수 (Urea) 및 SCR (Selective Catalytic Reduction)을 이용해 NOx를 제거할 수 있는 후처리 시설 (NOx Removal System)연결되어 있어, 실험을 통해 발생된 환경부담 물질을 최소화한 다음 대기로 배출할 수 있도록 구성되었다. 덧붙여, 열 유속 탐침을 포함한 플라즈마 진단 시스템을 비롯하여, 각 구성 장비의 작동 상태를 판단할 수 있는 계측 신호들은 모두 PLC (Programmable Logic Controller) 기반의 데이터 계측 시스템을 통해 수집되고 처리된 후, HMI (Human Machine Interface) 화면에 표시되도록 설계 제작되었다. 이 외, 위에서 설명한 초음속 플라즈마 풍동 장비의 각 구성 장치들에 대한 주요 제원을 Table 1에 나타내었다.
실험에 사용된 분절형 아크 히터는 최대 출력에 가까운 약 350 kW의 입력전력 조건에서 운전되었으며, 이로부터 나오는 초음속 플라즈마에 대해, 원뿔형 탐침을 사용하여 유동의 마하 수를 측정하였다. 또한, 분절형 아크 히터 및 초음속 노즐의 냉각수 온도 상승을 계측하여 아크 히터와 노즐을 빠져나간 플라즈마 유동의 전체 엔탈피 값을 조사하였으며, 측정된 마하 수와 전체 엔탈피 값으로부터 발생된 초음속 플라즈마의 평균온도를 유추하였다.
4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 플라즈마 풍동의 초음속 유동 특성에 대한 실험결과를 분석하였다. 실험에 사용된 분절형 아크 히터는 최대 출력에 가까운 약 350 kW의 입력전력 조건에서 운전되었으며, 이로부터 나오는 초음속 플라즈마에 대해, 원뿔형 탐침을 사용하여 유동의 마하 수를 측정하였다. 또한, 분절형 아크 히터 및 초음속 노즐의 냉각수 온도 상승을 계측하여 아크 히터와 노즐을 빠져나간 플라즈마 유동의 전체 엔탈피 값을 조사하였으며, 측정된 마하 수와 전체 엔탈피 값으로부터 발생된 초음속 플라즈마의 평균온도를 유추하였다.
또한, 간극으로 형성된 좁은 가둠관에 플라즈마 형성 기체를 균일하게 공급하는 방식이어서, 상대적으로 길게 늘어진 아크에 대해서도 안정된 플라즈마를 얻을 수 있다. 이와 같은 분절형 아크 히터의 구조적 특징과 출력 별, 전극, 간극 및 가둠관 등의 규격 범위 등은 해석적 해 [13]와 수치해석[14]등을 통해 살펴본 바 있으며, 이 외, 본 연구에 사용된 장비의 상세설계 및 제작은 캐나다 Tekna 사에서 진행하였다.
대상 데이터
Figure 1은 본 연구를 위하여 사용된 전북대학교 초음속 플라즈마 풍동의 외관 사진이다. Fig.
이론/모형
75 사이의 마하수를 얻을 수 있었다. 여기서, Taylor-Maccoll 미분 방정식의 수치 계산은 미국 NASA의 홈페이지에서 제공하는 프로그램[15]을 이용하였다. 특히, 발생된 플라즈마의 온도와 압력을 각각 3,000 K 및 0.
성능/효과
결론적으로, 식 (1) ~ (4)는, p0 = 4 bar, pe =45 mbar 및 16.3 g/s 의 질량유량 조건에서 마하 수 3.5 이상의 초음속 유동을 얻기 위해선, Fig. 3과 같이 설계된 노즐에서의 입구 온도가 T0 = 5,750 K로 충분히 뜨거워야 하며, 이 뜨거운 기체가 노즐을 지나면서 Te = 2,950 K로 급랭되어야만 한다는 것을 알려준다. 또한, 실험 결과 분석을 통해 얻은 상기 온도 값들은 16.
그 결과, 2,000 K 이상에서 Cp 값은, 일반적으로 널리 알려진 완전기체의 Cp값 1.0045 kJ/kg·K [1]와 비교하여, 더 큰 값을 가질 뿐만 아니라 온도에 따라 증가하는 양상을 보인다.
그 결과, 플라즈마 충격파와 원뿔형 환봉의 표면이 이루는 각도는 약 7.5°로 측정되었다.
3과 같이 설계된 노즐에서의 입구 온도가 T0 = 5,750 K로 충분히 뜨거워야 하며, 이 뜨거운 기체가 노즐을 지나면서 Te = 2,950 K로 급랭되어야만 한다는 것을 알려준다. 또한, 실험 결과 분석을 통해 얻은 상기 온도 값들은 16.3 g/s 의 질량유량을 가열하고 급랭시키는 350 kW 출력의 아크 히터 및 초음속 노즐의 열효율 특성에 따라 결정된 것이므로, 본 실험에 사용된 0.4 MW 급 분절형 아크히터는 Fig. 3과 같은 노즐을 이용하여, 마하 수 3.5 이상의 초음속 플라즈마 유동 형성에 필요한 엔탈피를 충분히 제공하도록 설계 되었다는 것을 알 수 있다.
7 및 Te = 2,950 K로 유추하였다. 또한, 초음속 노즐 내 냉각수를 통한 열손실 계산을 포함하여, 노즐 입구에서의 온도는 약 5,650 K 에 이르렀을 것으로 계산하였으며, 온도에 따른 공기의 정압 비열 거동을 고려한 데이터를 적용할 경우, 이는 약 12.8 MJ/kg의 엔탈피에 해당함을 확인하였다. 상기 실험결과로부터, 본 실험에 사용된 0.
4 MW 급 분절형 아크 히터를 장착한 플라즈마 풍동의 초음속 유동에 대한 특성 평가 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 먼저, 실험에 사용된 분절형 아크 히터와 초음속 노즐은 16.3 g/s 의 질량유량에 대해 전극 당 150 A, 전체 300 A의 입력전류를 인가할 경우, 350 kW의 입력전력이 소모되며, 열 효율은 약 51.4 %로 계측되었다. 이 때, 아크 히터의 내부압력은 약 p0 =4 bar 로 측정되었으며, 아크 히터 내 고온, 고엔탈피 플라즈마를 초음속 노즐을 통해 압력 40 mbar의 진공쳄버 내로 팽창 시킬 경우, 전체 엔탈피 11 MJ/kg 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있었다.
이 때, 아크 히터의 내부압력은 약 p0 =4 bar 로 측정되었으며, 아크 히터 내 고온, 고엔탈피 플라즈마를 초음속 노즐을 통해 압력 40 mbar의 진공쳄버 내로 팽창 시킬 경우, 전체 엔탈피 11 MJ/kg 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있었다. 발생된 초음속 플라즈마 유동에 대해 원뿔형 탐침을 삽입하여 마하 수가 3.6 ~3.75 사이의 값이 될 것임을 예측하였으며, 이 마하 수 범위와 측정된 전체 엔탈피 11 MJ/kg으로부터, 플라즈마 온도와 마하수를 각각 M = 3.7 및 Te = 2,950 K로 유추하였다. 또한, 초음속 노즐 내 냉각수를 통한 열손실 계산을 포함하여, 노즐 입구에서의 온도는 약 5,650 K 에 이르렀을 것으로 계산하였으며, 온도에 따른 공기의 정압 비열 거동을 고려한 데이터를 적용할 경우, 이는 약 12.
8 MJ/kg의 엔탈피에 해당함을 확인하였다. 상기 실험결과로부터, 본 실험에 사용된 0.4 MW 급 분절형 아크히터를 장착한 초음속 플라즈마 풍동은, 16.3 g/s의 질량유량을 가진 공기에 대해, 온도 2,900 K 이상, 마하 수 3.5 이상의 초음속 플라즈마 유동 형성에 필요한 엔탈피를 제공할 수 있다고 판단된다. 특히, 풍동시설이 제공 가능한 11 MJ/kg 이상의 엔탈피는 지구 저 궤도(Low Earth Orbit) 위성의 재진입 연구나 행성 대기 진입을 위한 공중 포획 (Aerocapture) 및 공중 감속 (Aerobreaking) 기술 연구 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
4 %로 계측되었다. 이 때, 아크 히터의 내부압력은 약 p0 =4 bar 로 측정되었으며, 아크 히터 내 고온, 고엔탈피 플라즈마를 초음속 노즐을 통해 압력 40 mbar의 진공쳄버 내로 팽창 시킬 경우, 전체 엔탈피 11 MJ/kg 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있었다. 발생된 초음속 플라즈마 유동에 대해 원뿔형 탐침을 삽입하여 마하 수가 3.
이 범위의 γ값에 대해, 측정된 각도 7.5° 및 원뿔의 각도를 잘 알려진 Taylor-Maccoll 미분 방정식의 풀이과정에 대입한 결과, 약 3.6에서 3.75 사이의 마하수를 얻을 수 있었다.
4(a), (b) 및 (c)는 상기 조건에서, 쳄버 압력을 각각 45, 40 및 35 mbar로 변화시켜 가면서 아크 히터와 노즐을 빠져 나오는 초음속 플라즈마 유동의 형상을 사진으로 촬영한 것이다. 이 사진들로부터, 먼저 초음속 플라즈마 유동의 발생에 따른 shock node의 형상이 노즐 출구 바깥에 뚜렷이 나타남을 확인할 수 있다. 반면, 쳄버압력 45 mbar일 때 촬영한 Fig.
3 g/s 를 아크히터 내부로 주입하고, 전극당 150 A, 전체 300 A의 직류 전류를 인가하여 플라즈마 유동을 발생시켰다. 해당 전류 및 공기 유량 조건에서, 입력전력 P0는 350 kW 로 측정되었으며, 아크 발생 시, Fig. 2의 아크히터 전극부에서 측정된 아크히터 내부 압력, p0는 3.9~4.0 bar를 유지함을 확인하였다.
후속연구
5 이상의 초음속 플라즈마 유동 형성에 필요한 엔탈피를 제공할 수 있다고 판단된다. 특히, 풍동시설이 제공 가능한 11 MJ/kg 이상의 엔탈피는 지구 저 궤도(Low Earth Orbit) 위성의 재진입 연구나 행성 대기 진입을 위한 공중 포획 (Aerocapture) 및 공중 감속 (Aerobreaking) 기술 연구 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라즈마 풍동 시설은 어떤 구조를 가지는가?
이와 같은 필요성에 따라, 일본, 유럽, 미국 등 많은 우주 선진국들은 수백 kW에서 수십 MW에 이르는 다양한 출력 규모의 초음속 플라즈마 풍동 시설을 구축해 왔다 [4-12]. 일반적으로, 플라즈마 풍동 시설은 공기 풍동과는 달리, 플라즈마 아크히터를 이용하여 공기를 수천 K에서 수만 K 까지 가열시킨 다음, 아크히터 출구에 부착된 수렴-확장형 노즐을 통해, 초음속으로 팽창시키는 구조를 가지고 있다. 특히, 장착되는 플라즈마 아크히터 형태와 출력 규모에 따라, 다양한 온도 범위와 마하수 조합 및 크기를 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있기 때문에, 고주파 유도결합 플라즈마 아크히터 [4-6], 막대-노즐형 비이송식 아크히터 [7,8], 분절형 아크 히터[8-12]와 같은 여러 가지 형태의 플라즈마 아크히터들이 채택되고 시험 평가된 바 있다.
분절형 아크 히터의 장점은?
특히, 장착되는 플라즈마 아크히터 형태와 출력 규모에 따라, 다양한 온도 범위와 마하수 조합 및 크기를 가진 초음속 플라즈마 유동을 얻을 수 있기 때문에, 고주파 유도결합 플라즈마 아크히터 [4-6], 막대-노즐형 비이송식 아크히터 [7,8], 분절형 아크 히터[8-12]와 같은 여러 가지 형태의 플라즈마 아크히터들이 채택되고 시험 평가된 바 있다. 이 중, 분절형 아크 히터들은, MW 수준으로의 출력 증대가 용이할 뿐 만 아니라 고출력 운전조건에서도 전극 부식에 의한 오염을 최소화할 수 있어서, 고출력 풍동 시설의 초음속 플라즈마 아크히터로서 상대적으로 많이 활용되고 있다.
전북대학교 초음속 플라즈마 풍동의 구조는?
Fig. 1에서 나타낸 바와 같이, 설치 완료된 초음속 플라즈마 풍동은 분절형 아크 히터(Segmented Arc Heater)를 중심으로, 초음속 플라즈마를 발생 및 유지시키기 위한 진공쳄버(Vacuum Chamber), 아크 히터 전극에 직류 전류를 인가하는 MW 급전원부(DC Power Supply), 아크 플라즈마 형성용 공기와 아르곤을 공급하는 가스 공급부(Gas Supply), 발생된 고엔탈피 플라즈마로부터 아크 히터 및 진공쳄버 등으로 전달되는 열을 제거하기 위한 냉각수 공급부(Cooling Water Supply)등으로 주요하게 구성된다. 또한, 진공쳄버 내부에는, 초음속 플라즈마 유동의 마하 수와 열유속을 진단할 수 있는 탐침들과 열차폐체 시편을 장착하고 제어할 수 있는 기판 조작부(Substrate Manipulator) 및 팽창된 초음속 유동을 아음속유동으로 전환하기 위한 디퓨저(Diffuser)가 설치되어 있으며, 디퓨저를 통해 압축된 플라즈마 유동은 열교환기(Heat Exchanger)를 거쳐 냉각된다음, 진공 펌프를 거쳐 빠져 나간다.
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