플라즈마 풍동 시설용 분절형 아크 플라즈마 토치의 해석적 설계변수 해석

Analytical Analysis of Segmented Arc Plasma Torch for Plasma Wind Tunnel Facility

아크 채널 모델을 이용하여 플라즈마 온도를 매개로 플라즈마 입력전력과 전류 조건에 따른 간극 반지름(L) 및 간극팩 묶음 길이(R) 변수 계산이 가능한 해석해를 유도하고 이를 이용하여 300 A 전류조건에서 0.4 MW 급 분절형 아크 플라즈마 토치에 대한 해석적 설계 변수 해석을 수행하였다. 해석 결과, L < 1.25 m, R < 7.5 mm 에 대해, 고정된 R 값에서 L이 길어지거나 반대로 L 값이 일정할 때, R이 작아질수록 플라즈마 온도는 비례하여 증가하는 경향을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 그 이상의 범위에서는 만족하는 플라즈마 온도 해가 없거나 2개 이상 존재하여 주어진 전류 및 전력조건에서 아크 플라즈마의 형성이 불가능하거나 불안정할 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 입력전류가 300 A 일 때 약 15,000 K의 아크 플라즈마 온도를 안정적으로 구현할 수 있을 것이라 여겨지는 0.4 MW 급 분절형 아크 플라즈마 토치의 간극 반지름 R 및 간극팩 묶음 길이 L의 설계범위를 각각 $5.5mm{\leq}R{\leq}7.0mm$, $0.5m{\leq}L{\leq}1.0m$ 범위로 제안하였다.

A parametric study is conducted for the segmented arc plasma torch with the input power and current of 0.4 MW and 300 A, respectively. For this purpose, we use the analytical relationship equations between plasma temperature, inner diameter (R) and length (L) of the torch constrictor at the given input power and current conditions based on the arc channel model. The results reveal that arc plasma temperatures show non-linear behavior or absence corresponding to the variations of L and R when their values become larger than 1.25 m and 7.5 mm, respectively. For L < 1.25 m and R < 7.5 mm, however, they can increase monotonically as L increase or R decrease when one of both parameters is fixed. From these parametric study results, optimum ranges of R and L are suggested as $5.5mm{\leq}R{\leq}7.0mm$ and $0.5m{\leq}L{\leq}1.0m$ for 0.4 MW class segmented arc plasma torch, under which stable arc plasma with the temperatures of ~15,000 K can be achived at the input currents of ~300 A.