초음속 열플라즈마 유동 특성 측정을 위한 이중 엔탈피 탐침 진단법 개발

Abstract

플라즈마 제트가 초음속 체제로 이행하면 유동의 속도는 유체가 가지는 음속보다 빨리 움직이며 제트의 정압 는 주위 압력 와 다르게 된다. 두 압력의 차이는 제트의 정압이 주위 압력과 같아지도록 유동을 재조정하는 팽창파와 압축파에 기인하는 감쇠진동 압력 분포를 초래한다. 이러한 초음속 열플라즈마는 지구궤도 재진입 비행체가 겪는 공력가열 현상이나 저압용사 (LPPS: low pressure plasma spray) 환경에서 종종 발생한다. 이 논문에서는 초음속 플라즈마 제트의 특성 측정에서 부딪는 문제들을 설명하고 특히, 열플라즈마에서 보편적인 측정 도구인 엔탈피 탐침이 초음속 플라즈마의 진단에서 보이는 한계점을 극복하기 위해 새롭게 설계된 진단장치 곧, 이중 엔탈피 탐침 진단법의 개발에 관한 연구를 수행하였다. 먼저, 기존의 단일 엔탈피 탐침을 이용하여 측정된 정체점에 관한 단 하나의 물리량 곧, 전압 로부터 초음속 플라즈마 제트 자유유동의 특성을 진단하기 위한 시도들을 검토하였다. 이로부터 자유유동 초음속 플라즈마 제트의 정압 은 초음속 플라즈마 제트에 삽입된 측정 장치 앞에 형성되는 충격파 때문에 직접 측정할 수 없음을 확인하였다. 이는 단일 엔탈피 탐침을 이용하여 열량적으로 완전하지 않으며 (일정) 공기역학적으로 평형상태가 아닌 () 초음속 플라즈마 제트를 다루려면 오차가 불가피함을 의미한다. 단일 엔탈피 탐침의 문제를 해결하기 위하여, 전압 외에 '표면압, '라 명명한 추가적인 물리량을 계측할 수 있는 이중 엔탈피 탐침을 고안하였다. 히멘즈(Hiemenz) 유동의 상사해를 구하여 측정된 와 탐침의 설계변수로 주어지는 의 측정위치, 그리고 탐침 표면과 충격파 사이의 이격거리, 로부터 충격파 직후의 아음속 퍼텐셜 유동의 정압 를 얻는 새로운 절차와 이론적 배경을 제시하였다. 유도된 값을 수직충격파 관계식에 대입함으로써 충격파 앞의 자유유동 초음속 플라즈마 제트의 정압, 마하 수 (Mach number), 엔탈피, 온도 및 속도 등의 특성값들을 추론할 수 있음을 보였다. 이중 엔탈피 탐침의 해석 및 측정 원리에 사용된 가정을 충실히 실현할 수 있도록 이중 엔탈피 탐침의 구조, 탐침의 형태, 탐침 설계 규격에 대한 기준을 마련하였다. 탐침의 구조는 대구경 엔탈피 탐침 내에 구경이 작은 엔탈피 탐침이 동심을 이루도록 배치하여 두 탐침 사이에 고리 형태의 유격을 형성하도록 하였다. 이 유격을 통하여 또 다른 압력값 가 측정된다. 탐침의 형태는 수직충격파와 히멘즈 유동을 발생시킬 수 있도록 탐침 끝을 탐침 몸통과 직각을 이루도록 자른 평평한 모양이어야 한다. 이중 엔탈피 탐침의 실제 제작에서 탐침의 외경, 의 측정 위치인 그리고 포집관의 직경이 가장 중요한 설계 규격이다. 이들은 플라즈마 제트의 직경, 형성된 충격파의 이격거리 및 필요한 기체 포집량을 고려하여 각각 12.7 mm, 3.338 mm, 2.5 mm로 결정하였다. 비이송식 직류 플라즈마 토치를 장착한 초음속 열플라즈마 풍동장치와 이중 엔탈피 탐침을 기반으로 하는 진단 시스템을 구성하고 초음속 열플라즈마 유동 특성의 진단 및 평가를 수행하였다. 사진으로 구분되는 초음속 유동의 구조와 이격거리 및 표면압 측정으로 추론한 자유유동 초음속 플라즈마 제트의 물리량들은 예측된 압축대-팽창대에서 정성적으로 일치하는 거동을 보였으며 물리적으로 타당한 범위의 값들을 나타냈다. 이중 엔탈피 탐침 진단법의 타당성을 확인하기 위하여 열 평형식을 이용하여 측정값들을 보정하였다. 측정위치 20 mm 지점에서 플라즈마 유동은 노즐 출구에서의 출력에 비해 약 70%로 감소하였으며 44 mm 지점에서는 약 40%까지 감소하였다. 쳄버의 배경 기체와 충돌에 의한 손실과 복사에너지 손실 등의 요인을 감안하면 타당한 범위라 판단되며 이는 이중 엔탈피 탐침 진단법이 열 평형식을 따라 보정될 수 있는 진단기법이라는 것을 보여준다. 진단 실험의 일례로서 쳄버 압력 2.3 kPa, 플라즈마 출력 6 kW, 플라즈마 기체 유량 40 slpm인 운전조건에서 발생된 알곤 플라즈마 제트의 경우, 자유유동 초음속 플라즈마 제트의 총 엔탈피, 마하 수, 온도 및 속도는 각각 5.0 MJ/kg, 2.6, 9,000 K 및 3,170 m/sec로 계산되었다.