[논문]스월 강도에 의한 상압 플라즈마 토치의 최적 설계

문장혁; 김윤제; 한전건

문제 정의

⑻⑼ 이때, 전자는 이송식 플라즈마 토치이며, 후자는 비이송식 플라즈마 토치이다. 본 연구에서는 비이송식 토치를 모델로 하여 연구를 수행하였다. 이때 캐소드의 경우, 전극봉의 끝단이 높은 열부하를 받고 전자 방출이 일어나기 때문에 높은 융점과 전자 방출이 용이한 텡스텐이 사용된다.
본 연구에서는 상압 플라즈마의 최적 형상을 설계하기 위하여 스월 강도 영향을 수치적으로연구하였다. 또한, 높은 플라즈마 플륨을 얻기 위한 다양한 기체를 사용하여 제 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 주입구에 다양한 각도 변화를 통한 강제적인 스월 유동을 발생시키고 이때 최적의 각도를 수치적 분석으로 설계하고, 또한 주입 기체의 변화에 따른 방전 특성을 실험적으로 연구하였다.

제안 방법

또한, 높은 플라즈마 플륨을 얻기 위한 다양한 기체를 사용하여 제 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다. 1) 스월유동을 발생 시켜 소용돌이 안정법을 가지는 형상을 개발하였다.
텅스텐 전극을 중앙에 위치시키고 세라믹 절연재로 전극 주위를 둘러쌓았다. 기체를 토치 내부로 주입 시키기 위해, 기체 흡입관, 내부에서의 스월유동 형성을 위한 6개의 구멍, 그리고 환형 관으로 구성하였다. 플라즈마 토치는 일반적으로 캐소드(cathode)와 에노드(anode) 즉, 두 개의 전극과 절연재, 노즐, 플라즈마 기체로 구성되어 있다.
또한, 높은 플라즈마 플륨을 얻기 위한 다양한 기체를 사용하여 제 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다. 1) 스월유동을 발생 시켜 소용돌이 안정법을 가지는 형상을 개발하였다.
따라서 기체를 경사지게주입시킴으로써 스월을 생성하는 것이 토치의 최대 성능을 만들 수 있는 요인으로 판단되었다. 우선 a =30° 로 고정하고, p를 0° 에서 40° 까지 변화를 주면서 수치해석을 한 결과 p =30° 일 때가장 큰 속도 분포를 가지며, 이 결과를 토대로 P =30° 를 고정시키고 a =10° 에서 a =40° 까지 P와 같은 방법으로 수치해석을 수행하였다. a 의 변화에 따른 해석 결과는 Fig.
유동 장에서의 스월 효과를 고찰하기 위해 3차원 해석을 수행하였다. 또한 본 연구에서는 난류장
1 참조). 텅스텐 전극을 중앙에 위치시키고 세라믹 절연재로 전극 주위를 둘러쌓았다. 기체를 토치 내부로 주입 시키기 위해, 기체 흡입관, 내부에서의 스월유동 형성을 위한 6개의 구멍, 그리고 환형 관으로 구성하였다.
2에 도시 한 바와 와같이 a 와 P로 구분하였으며, 먼저 a 변화에 따른 수치 해석 결과를 토대로 최적의 각을 선정한 후 a 를 고정하고 Q를 변화시키면서 수행하였다. 토치 내부 유동 특성을 정확히 표현하고자 3차원 격자계를 사용하였으며, 입구속도는 5m/s, 작동 유체는 20℃의 질소를 사용하였다. 또한 격자 생성 및 모델링에 있어 일반 곡선 좌표계(body-fitted coordinate)가 아닌 직교 좌표계에서의 분할격자기 법(Cartesian cut-cell method)을 이용하였다.
⑹ 이 방법은 해석이 복잡한 형상에서보다 쉽게 결과를 도출할 수 있는 방법이며, 수렴성도 양호한 기법으로 알려져 있다. 토치 내부 유동장에 대한 모델은 CAD 를 이용하여 3차원으로 모델링 하였으며, 분할 격자 기법을 지원하는 상용 CFD 프로그램인 PHOENICS⑺를이용하여 수치해석을 수행하였다. 전체 격자수는 120X80X80개이며, 토치 형상 주위 영역에는 조밀 격자를 분포시켰다(Fig.
플라즈마 토치 내부에서의 스월 유동 형성과 그분 사거리의 분포를 분석하고자 분출면적과 전체적인 치수는 고정시키고 주입구 각도는 스월이 생성되지 않을 경우에는 ” =0°, 스월이 생성되는 경우에는 p =30° 를 주어 수치 해석을 수행하였다. Figure 5에 도시한 바와 같이 소용돌이가 생성 되었을 경우보다 큰 분사거리를 나타내고 있다.
6 kV의 선 전압(line voltage)으로 변환시키는 변압기와 전기적 방전 안정성을 목적으로 토치 모듈과의 직렬연결로 이루어진캐패시터(capacitor)로 구성되는 개략도이다. 플라즈마 토치는 전극봉 끝단에서 높은 전압을 가지는 아크가 발생하여 이것이 주입 기체에 의해 환형 관과 노즐을 통해 방출되는 형태로 설계되었다. 발생된 플라즈마 플륨(plume) 중앙부는 1000℃가 넘는 높은 온도를 가지며, 또한플라즈마 상태이기 때문에 화학 반응을 증가시킨다.

대상 데이터

본 실험에서는 일반적으로 자동차에 쓰여지고있는 점화 플러그를 개조하여 사용하였다(Fig. 1 참조). 텅스텐 전극을 중앙에 위치시키고 세라믹 절연재로 전극 주위를 둘러쌓았다.
토치 내부 유동장에 대한 모델은 CAD 를 이용하여 3차원으로 모델링 하였으며, 분할 격자 기법을 지원하는 상용 CFD 프로그램인 PHOENICS⑺를이용하여 수치해석을 수행하였다. 전체 격자수는 120X80X80개이며, 토치 형상 주위 영역에는 조밀 격자를 분포시켰다(Fig. 3 참조). 해석영역의 경계면은 압력조건과 종속변수 구배가 없는 조건 (Neumann condition)을 적용하였으며, 벽면에서의 속도성분은 점착 조건(no-slip condition)을 사용하였다.
해석 모델은 실제 토치의 규격을 사용하였으며, 전체적인 유동장을 60mm, 세로 60mm, 높이 80mm로 구성하였다. 또한 스월을 주기 위하여 토치 내의 가스 유입각을 Fig.

이론/모형

토치 내부 유동 특성을 정확히 표현하고자 3차원 격자계를 사용하였으며, 입구속도는 5m/s, 작동 유체는 20℃의 질소를 사용하였다. 또한 격자 생성 및 모델링에 있어 일반 곡선 좌표계(body-fitted coordinate)가 아닌 직교 좌표계에서의 분할격자기 법(Cartesian cut-cell method)을 이용하였다.⑹ 이 방법은 해석이 복잡한 형상에서보다 쉽게 결과를 도출할 수 있는 방법이며, 수렴성도 양호한 기법으로 알려져 있다.
3 참조). 해석영역의 경계면은 압력조건과 종속변수 구배가 없는 조건 (Neumann condition)을 적용하였으며, 벽면에서의 속도성분은 점착 조건(no-slip condition)을 사용하였다.
해석을 위해 Launder & Spalding⑸이 제시한 표준 k -& 모델을 사용하였다.

성능/효과

대기압 플라즈마 토치를 이용하여 발생된플라즈마를 안정화시키는 방안으로 플라즈마 생성 기체에 유체역학적인 간섭을 주어 안정화시키는방법이 있다.(3) 또한 발생된 플라즈마를 중앙으로 집중시킴으로써 표면 처리 등에 있어 균일한 효과를 줄 수 있다. 이러한 효과를 가지기 위해서는 크게 2가지 방법이 있다.
2) 최적의 형상을 얻기 위해 a , ” 를 변화시키면서 수치해석을 수행하였고, 그 결과 a =30° P =30° 일 때가 토치 내부 벽면으로부터 최소저항을 갖는 형상임을 알 수 있었다.
3) 혼합기체 (Nz+Air) 를 사용했을 경우 플라즈마플륨의 높이와 폭은 각각 37mm, 10mm로서 가장 우수한 방전 특성을 나타내었다.
속도벡터를 살펴보면 A-A' 단면에서의 스월 유동을 관찰할 수 있었고, B-B' 단면에서도 중앙으로 집중되는 스월을 관찰할 수 있다. 따라서 기체를 경사지게주입시킴으로써 스월을 생성하는 것이 토치의 최대 성능을 만들 수 있는 요인으로 판단되었다. 우선 a =30° 로 고정하고, p를 0° 에서 40° 까지 변화를 주면서 수치해석을 한 결과 p =30° 일 때가장 큰 속도 분포를 가지며, 이 결과를 토대로 P =30° 를 고정시키고 a =10° 에서 a =40° 까지 P와 같은 방법으로 수치해석을 수행하였다.
반면에 N₂ 와 Air는 플라즈마 방전에 있어 높은 방전 전압과플륨의 높이를 얻을 수 있었다. 또한 다양한 혼합 기체의 경우에 대해 분석한 결과 N₂+Air가 방전 전압과 플라즈마 플륨의 높이 및 두께가 가장 우수한 결과를 나타내었다(Fig. 12, 13 참고).
Figure 5에 도시한 바와 같이 소용돌이가 생성 되었을 경우보다 큰 분사거리를 나타내고 있다. 또한, 제트 유동 중앙선(y=0)에서 속도분포를 분석한 결과 최대속도는 x축 방향으로 30mm 위치에 형성되었으며, 스월 이 있는 경우가 없는 경우에 비해 약 2배의 최대 속도 값을 나타내었다(Fig. 6 참고).

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