아크 플라즈마 유동에 삽입된 엔탈피 탐침의 동작특성 실험

Abstract

내경 1.5 mm, 외경 4.8 mm를 갖는 엔탈피 탐침을 설계 제작하고, 17 kW급 비이송식 직류 아크히터로부터 나오는 고엔탈피 Ar 아크 플라즈마 유동의 중심축을 따라 삽입하면서 탐침 첨두가 파괴될 때까지 온도와 속도를 측정하였다. 이 실험으로부터, 설계된 엔탈피 탐침은 대기압 조건에서 최대 12,000 K 의 온도와 600 m/s 의 속도를 갖는 고엔탈피아크 플라즈마 유동장에 대해 탐침 첨두의 파괴 없이 동작할 수 있음을 관찰하였다. 탐침첨두에서 형성되는 비압축성 열경계층 및 열속 방정식으로부터 이 경우의 아크 플라즈마 유동은 약 <TEX>${\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$</TEX>의 열속 부하를 전달한 것으로 추측되었다. 이로부터, 설계된 엔탈피 탐침은 <TEX>$0{\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$</TEX>의 열속 범위 내에서 다양한 형태의 아크히터로부터 발생되는 넓은 범위의 플라즈마 온도, 속도 및 농도를 동시에 측정할 수 있을 것으로 기대된다. Enthalpy probe with the inner and outer diameters of 1.5 mm and 4.8 mm, respectively, is designed and used to measure the temperatures and velocities along the centerline of Ar arc plasma flow until the probe was destroyed. For this purpose, Ar arc plasma flow is generated by non-transferred type DC arc heater with the power level of 17 kW. From this experiment, it is shown that the designed enthalpy probe can measure the temperature and velocity of arc plasma flow up to 12,000 K and 600 m/s, respectively, without destroy of probe tip. In this extreme case, the arc plasma flow is calculated to transfer the heat flux of <TEX>${\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$</TEX> to the probe based on the heat and thermal boundary equations near the forward stagnation point of a body immersed in arc plasma flow. Consequently, the designed enthalpy probe can measure the wide ranges of plasma temperatures, velocities and concentrations simultaneously, which are generated by various types of arc heaters within the heat flux ranges of <TEX>$0{\sim}5{\times}10^7\;W/m^2$</TEX> on the probe tip.