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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

이원호 (강릉원주대학교, 강릉원주대학교 대학원)

발행연도
2021
저작권
강릉원주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

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이 논문의 연구 히스토리 (8)

2021

3차원 열유동-전자기 연성 해석을 이용한 열플라즈마 유동 및 전극 온도 특성 연구
이원호 자동차공학과 2021.01 학위논문

2020

아크 방전에 의해 발생된 열플라즈마와 금속전극의 열전달 및 유체유동의 3차원 수치해석
이원호 ,  이종철 한국진공학회 학술발표회초록집 2020.08 학술대회자료

2019

자유연소아크 시스템에서 아크-전극 결합 모델의 3차원 수치해석
이원호 ,  김동열 ,  이종철 한국진공학회 학술발표회초록집 2019.08 학술대회자료
아크 용접시 발생되는 열플라즈마와 금속전극 사이의 열적 상호작용에 관한 3차원 수치해석
이원호 ,  이종철 한국진공학회 학술발표회초록집 2019.02 학술대회자료

2018

아크 방전에 의한 열플라즈마와 금속 전극간 열-유동 특성에 관한 3차원 수치해석
이원호 ,  김연주 ,  이종철 한국진공학회 학술발표회초록집 2018.08 학술대회자료
자유연소아크에서 금속 전극으로의 열전달에 관한 3차원 수치해석
이원호 ,  이종철 한국진공학회 학술발표회초록집 2018.02 학술대회자료

2017

전극손상이 고려된 자유연소아크 열플라즈마 특성에 관한 수치해석적 연구
이원호 ,  안정호 ,  이종철 한국진공학회 학술발표회초록집 2017.02 학술대회자료

2016

3차원 열유동 해석을 이용한 자유연소아크 시스템의 플라즈마 거동 예측
이원호 ,  안정호 ,  변순석 외 1명 대한전기학회 학술대회 논문집 2016.07 학술대회자료

초록· 키워드

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자유연소아크(Free-burning arc)는 높은 전류(~100 kA)에서 작동하는 초고전류 아크로 알려져 있다. 이와 같이 자유연소아크 시스템에서 발생하는 열플라즈마는 재료의 표면처리, 아크로(arc furnaces), 광물처리 및 용접, 절삭, 용사 등의 산업에 적용되고 있으며, 이러한 기술에 적용하고 있는 열플라즈마의 물리적 현상에 관한 기초 연구와 열플라즈마 모델링 등의 기술개발이 이루어짐에 따라 수많은 논문과 특허가 발표되고 있다. 자유연소아크에 대한 모델링 및 수치해석의 주요 목적은 자유연소아크 시스템에서 발생한 열플라즈마의 온도, 압력, 속도 및 전극의 온도를 정량적으로 예측하는 것이다. 이전 연구에서는 자유연소아크 시스템에서 실험적으로 얻기 어려운 물리적 특성들을 정량적으로 파악하기 위해 수치해석을 진행하였으며, 해석의 용이성을 위해 대부분 2차원 축대칭 모델로 가정하였다. 그러나 2차원 수치해석 방법은 아크-전극 간에서 나타나는 실제 물리적 현상 및 열전달을 반영하는 것이 제한적이며, 실제 자유연소아크 시스템에서 발생하는 열플라즈마는 전극의 형상 및 극간 거리 등에 영향을 받으므로 열플라즈마의 유동과 열전달 현상에 관한 3차원 수치해석이 필요하다. 본 연구에서는 3차원 열유동-전자기 연성 해석을 이용한 열플라즈마 유동 및 전극 온도특성을 예측하기 위해 기존 자유연소아크 시스템에 적용하고, 아크 용접에 주로 사용되고 있는 가스 텅스텐 아크 용접 및 가스 금속 아크 용접 모델을 이용하였고, 이 결과를 실험 및 2차원 수치해석 결과와 비교고찰 하고자 하였다. 그 결과 3차원 수치해석을 통해 전극 간에서 발생한 열플라즈마와 금속 전극(텅스텐 및 금속 전극과 공작물)의 온도를 2차원 수치해석 및 실험결과와 잘 일치하는 결과를 확인할 수 있었으며, 열플라즈마의 압력 및 유속 분포도 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었다.

목차

1. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.1.1 플라즈마 1
1.1.2 플라즈마의 종류 및 특징 2
1.1.3 플라즈마의 이용 5
1.1.3.1 플라즈마 증착 5
1.1.3.2 플라즈마 용접 및 절삭 8
1.2 관련 연구 10
1.2.1 열플라즈마의 실험적 연구 10
1.2.2 열플라즈마의 수치 해석적 연구 13
1.3 연구 목적 15
1.4 연구 방법 17
2. 이론적 배경 19
2.1 자기유체역학(magnetohydrodynamics) 19
2.2 ANSYS CFX를 이용한 열플라즈마 수치해석 방법 21
2.3 플라즈마 열 물성 25
2.3.1 아르곤 가스의 열역학적 특성 25
2.3.2 아르곤 가스의 이송 계수 27
2.3.3 아르곤 가스의 순 복사 방출계수 29
3. 수치해석 방법 31
3.1 지배방정식 31
3.1.1 열플라즈마 영역 31
3.1.2 난류 모델(k-ε 방정식) 33
3.1.3 전극 영역 34
3.2 형상 모델링 및 격자계 35
3.2.1 가스 텅스텐 아크 용접 모델의 2차원 및 3차원 모델 35
3.2.2 가스 텅스텐 아크 용접 모델의 2차원 및 3차원 모델 격자계 35
3.2.3 가스 금속 아크 용접 모델의 2차원 및 3차원 모델 39
3.2.4 가스 금속 아크 용접 모델의 2차원 및 3차원 모델 격자계 39
3.3 경계조건 및 전극 물성 42
3.3.1 3차원 가스 텅스텐 아크 용접 모델의 경계조건 및 전극 물성 42
3.3.2 3차원 가스 금속 아크 용접 모델의 경계조건 및 전극 물성 42
3.4 ANSYS CFX를 이용한 경계조건 및 물성 설정 방법 44
3.4.1 3차원 텅스텐 아크 용접 모델 44
3.4.2 3차원 가스 금속 아크 용접 모델 51
3.4.3 아르곤 및 혼합가스의 물성 설정 55
3.4.4 복사 모델 설정 55
4. 수치해석 결과 및 고찰 59
4.1 3차원 가스 금속 아크 용접 모델의 열플라즈마 유동 및 전극 온도특성 59
4.1.1 열플라즈마 유동 영역 59
4.1.1.1 3차원 열플라즈마의 열유동 특성 59
4.1.1.2 3차원 열플라즈마의 격자 밀도에 따른 열유동 특성 64
4.1.2 전극 영역의 온도특성 67
4.2 3차원 가스 텅스텐 아크 용접 모델의 열플라즈마 유동 및 전극 온도특성 69
4.2.1 열플라즈마 유동 영역 69
4.2.1.1 3차원 열플라즈마의 열유동 특성 69
4.2.1.2 3차원 열플라즈마 난류에 따른 열유동 특성 76
4.2.1.3 3차원 열플라즈마의 격자 밀도에 따른 열유동 특성 82
4.2.1.4 3차원 열플라즈마의 비 축대칭 영향에 관한 열유동 특성 87
4.2.2 전극 영역의 온도특성 88
5. 결 론 91

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