A Study on Design and Manufacture of Arc Heater Facility Using Computational Fluid Dynamics

Abstract

본 연구의 핵심은 전산유체역학을 활용하여 저용량 세그먼티드 아크히터의 전산 설계를 수행하고 실제 소형 플라즈마 풍동 장치를 개발하는 것이다. 일반적으로 기존의 세그먼티드 아크히터 장치 설계는 장치 내부에서의 복잡한 물리현상으로 인해 전 세계적으로도 소수의 연구 기관과 업체에서 개발자의 경험적인 지식에 의존하여 이루어져 왔다. 본 연구에서는 아크히터 내부에서의 유동을 정확히 모사할 수 있는 ARCFLO4 프로그램을 활용하여 아크히터 내부에서의 물리적인 현상을 규명하고 이를 통해 저용량 세그먼티드 아크히터의 전산 설계 절차를 정립하였다. 또한 전산 설계를 활용하여 실험실 규모에서도 운영이 가능한 소형 신개념 아크히터의 개발을 수행하였다. 본 연구는 다음의 3가지 주제를 가지고 수행되었다. 첫째, 본격적인 전산설계의 선행연구의 일환으로 아크히터의 성능에 영향을 미치는 다양한 설계변수에 대하여 변수 연구를 수행하고 각 변수들의 영향을 분석하였다. 컨스트릭터의 길이, 지름 그리고 목 지름을 주요 형상 변수로 선정하였으며 입력 전류, 입력 유량을 운영 변수로 선정하여 각 변수들이 실제 아크히터 내부 유동에 미치는 영향과 원인을 분석하였다. 또한 본 변수 연구를 통해, 실험연구로 확인하기에는 한계가 있는 아크히터 내부에서의 물리적인 현상을 규명/분석하였다. 둘째, 앞서 변수 연구 결과를 통해 규명된 설계 변수들의 영향 데이터베이스를 기반으로 하여, 주어진 설계 목표에 대한 세그먼티드 아크히터의 전산 설계를 수행하고 설계 절차를 정립하였다. 이를 통해, 그 동안 개발자의 경험적인 지식이나 단순화된 스케일링 스터디로 대체 되어왔던 기존 아크히터 설계의 정확도를 개선하였다. 전산 설계는 먼저 소재/우주 분야 연구를 주요 목표로 전원장치/냉각장치 등의 서브시스템을 포함하는 450 kW 급 세그먼티드 아크히터에 대한 전산 설계를 수행하였다. 또한 부품단위의 실질적인 연구 수행을 위해 2.4 MW 급 세그먼티드 아크히터의 전산 설계를 추가적으로 수행하였다. 설계된 450 kW/2.4 MW 세그먼티드 아크히터는 모두 설계 목표와 제약조건을 만족하였다. 마지막으로, 본 연구에서는 그 동안 정립된 설계 절차와 노하우를 바탕으로 실험실 규모에서도 운영이 가능한 신개념 소형 250kW 급 아크히터를 개발하였다. 개발된 아크히터는 캐퍼시터에 에너지를 충전하여 사용하는 새로운 개념의 전원시스템을 도입하였고 이를 통해 소규모 실험실 규모에서도 아크히터를 운영할 수 있도록 개발되었다. 개발된 아크히터는 10-2 토르의 진공도에서 안정적인 방전 성능을 나타내었으며 추후 분광측정 기법 도입을 통해 표면화학반응 연구, 아크 방전 특성 연구 등에 활용될 예정이다.

A design for existing segmented arc heaters has been accomplished by only a few research centers. The designs were based on developer empirical experiences due to the complex plasma physics inside the segmented arc heater flow. Consequently, numerous trial-and-error studies can be conducted for developing segmented arc heater without any related experience. The ARCFLO4 computational code was recently developed and modified to enhance enough accuracy to use the computational code as a design tool for the arc heater. The required effort for designing a new segmented arc heater can decrease if the ARCFLO4 code is used. That is, many parts of the design process can be reduced by numerical simulations. The primary objectives of this thesis are to design and develop a low input segmented arc heater by applying computational fluid dynamics. This thesis primarily focuses on three specialized areas. First, a parametric study is performed as a preliminary study of a numerical design. The study investigates the effects of configuration and input operational conditions for the performance of an arc heater. Configuration parameters such as constrictor length and nozzle throat diameter are chosen as main parameters. In addition, input conditions such as mass flow rates and input currents are chosen as the main parameters of the study. The physical behavior due to the design parameters have not been clearly investigated in the flow field of an arc heater. Throughout the parametric study, influence of the design parameters on arc heater flows are investigated in detail and the physical behavior inside the arc heater is discussed. Second, numerical designs for the low-input power (450 kW, 2.4 MW) segmented arc heaters are carried out based on the validity of ARCFLO4. The design process is established according to design requirements. It is shown that the designed arc heater satisfies the design objectives. It is expected that the designed arc heaters can be utilized for industrial and aerospace applications. Third, the development of 250 kW short-duration arc heater is carried out based on a numerical approach. The arc heater imposes new concepts that use a capacitor as power supply components. Although the arc heater has a relatively short duration time in comparison to the conventional arc heater, it is expected to be utilized for surface chemical reaction research by adopting the spectrometry measurement method. The discharge occurred successfully at the given vacuum condition of 10-2 Torr.