고압의 가스 주입 조건에서 스파크 플라즈마를 이용한 메탄의 활성화 비교

배기성,김태규 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

본 연구에서는 고압의 가스 주입 조건에서 스파크 플라즈마를 발생시켜 메탄의 활성화를 통한 전환율을 비교하였다. 생성 가스 조성은 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였으며, 상온에서 실험을 진행하였다. 가스를 혼합하여 공급하기 위해 챔버에 메탄과 아르곤을 충전한 후 레귤레이터를 이용하여 노즐을 통해 2bar의 압력조건으로 반응기 내부에 공급하였다. 플라즈마는 반응기의 상단부, 하단부에 위치한 전극 사이에 발생시켰으며, 상단부 전극에 노즐을 장착하였고 하단부 전극은 니켈폼을 장착하였다. 스파크 플라즈마는 9kV, 3kHz 조건으로 발생시켰으며, 촉매의 유무와 종류에 따른 메탄의 전환율을 비교하였다. 촉매는 γ-Al₂O₃, 5wt.% Zn/γ-Al₂O₃를 사용하였으며, 촉매가 있을 경우 스파크 플라즈마에 의해 촉매 상에서 메탄이 활성화되어 생성가스 분석 결과에서 CO₂와 CO가 검출되었다. 결과적으로 메탄이 탄화수소로 전환되는 반응보다 메탄이 분해되는 반응이 지배적으로 나타났다.

스파크 플라즈마를 이용한 초음속 제트 발생기에 대한 기초 연구

김영순,판민강,신지철 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

초음속 제트를 발생시킬 수 있는 스파크 제트 발생기에 대한 기초 연구를 전산해석과 실험을 통하여 수행하였다. 세라믹 재료 내부에 만들어진 공동(cavity)내부의 스파크 플라즈마에 의하여 고속의 제트가 오리피스를 통하여 발생된다. 전산 해석에 사용된 스파크의 에너지원은 공동 내부의 일정 영역에 10㎲ 동안 3mJ 의 일정한 에너지가 추가됨을 가정하였다. 실험을 위해서 고전류 고주파수의 펄스발생기를 자체 제작하였고, 고전력 축전지를 사용하여 수 암페어의 전류를 가진 플라즈마를 수 마이크로초동안 발생시킴으로써 초고속 스파크 제트를 만들 수 있다. Preliminary study on spark jet that can generate a supersonic jet is conducting numerically and experimentally. High speed jet is produced by a spark plasma generated inside a cavity embedded in a ceramic dielectric material and is injected to the ambient air through an orifice connected to the cavity. Heat source added in the numerical simulation is assumed to be constant at 3mJ for 10㎲ over a specified fixed area in the cavity. For an experiment, a high current, high frequency in-house pulse generator is built and it can produce a high speed spark jet by generating a plasma with several amperes for a several microseconds using a high power capacitor.

수치해석을 이용한 전극 위치에 따른 스파크제트 액츄에이터의 성능 연구

신진영(Jin Young Shin),김형진(Hyung-Jin Kim),김규홍(Kyu Hong Kim) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.11

스파크제트 액츄에이터(Sparkjet Actuator), 혹은 플라즈마 합성 제트 액츄에이터(Plasma Synthetic Jet Actuator)는 능동 유동 제어 장치의 일종으로 신쎄틱 제트와 같은 기존의 능동 유동 제어 장치에 비해 더 강한 제트를 분출할 수 있기 때문에 초음속 유동 제어에 대한 가능성이 높다고 여겨지고 있다. 스파크제트 액츄에이터는 아크 플라즈마를 이용하여 캐비티(Cavity) 내부에 고온, 고압 유동을 발생시키고 이를 오리피스(Orifice) 혹은 노즐 목을 통해 분출시킴으로써 제트를 만들어낸다. 본 연구는 캐비티 내부에 위치한 전극의 위치를 변화시킴으로서 스파크제트 액츄에이터의 추력 및 유동 특성에 생기는 변화를 수치적으로 확인하였다. 전극 위치가 캐비티의 바닥에 가까워질수록 충격량이 증가하였고 캐비티 내부 평균 압력이 높게 유지되었다. 전극 위치가 캐비티 전체 높이의 25% 위치에 있을 때 2.515 μN · s의 충격량이 발생하였고 75% 위치에 있을 때 2.057 μN · s의 충격량이 발생하였다. 전극 위치가 캐비티 전체 높이의 50%에 있을 때보다 충격량이 각각 대략 9.92%와 –10.09% 정도 변화하였다. Sparkjet actuator, also known as plasma synthetic jet actuator, which is a kind of active flow control actuator is considered as being high possibility for the supersonic flow control due to ejecting stronger jet compared to the other active flow control actuators. Sparkjet actuator generates high temperature and high pressure flow inside the cavity by using arc plasma and leads momentum by ejecting such flow through orifice or nozzle. In this research, numerical calculation of sparkjet actuator with respect to the location of electrodes which exists inside the cavity is conducted and the change of the performance of sparkjet actuator is suggested. As the location of electrodes goes closer to the bottom of the cavity, impulse is increased and the average pressure inside the cavity maintains higher. When the location of electrode is 25% and 75% of the entire cavity height, impulse is 2.515 μN · s and 2.057 μN · s, respectively. Each impulse is changed by about 9.92% and -10.09% compared to when the location of electrodes is 50% of the entire cavity height.

스파크 제트 발생기의 유동 특성에 대한 수치해석 연구

김형진,채정헌,안상준,정석영,김규홍 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

스파크 제트 발생기의 유동 특성을 파악하기 위하여 수치해석 연구를 진행하였다. 스파크 제트 발생은 크게 에너지 주입, 질량 방출, 재충전 3단계로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 스파크에 의한 초기 에너지 주입을 모델링하여 이를 통해 캐비티 내부 초기 유동장의 압력과 온도를 계산했다. 서울대학교 3차원 열화학 비평형 유동해석 프로그램을 사용하였으며, 이는 고온 공기화학반응, 진동에너지, 충돌적분상수를 이용한 화학종의 전달계수를 고려한다. 에너지 주입 이후 캐비티 내부의 높은 압력에 의해 오르피스가 질식 되고 제트가 방출되었다. 방출되는 제트는 팽창을 하여 최대 속도일 때 마하수 4가 되었다. 이후 계속되는 캐비티 내부 질량 방출로 캐비티 내부는 질식 상태를 벗어나고 제트의 속도는 감소하며 캐비티 외부 압력 보다 낮아진다. 캐비티 외부의 압력이 더 커지게 되면 캐비티 내부로 공기가 유입된다. 수치해석 결과 스파크 제트의 속도가 초음속에 이르렀으며, 스파크 제트 발생기의 초음속 유동 제어 가능성을 확인하였다. Numerical analysis on flow characteristics spark jet actuator was done. Development of spark jet is divided into 3 stage; energy deposition, mass injection, recovery. In this research, initial pressure and temperature of the flow inside the cavity was obtained by modeling the energy deposition stage. Three dimensional thermo-chemical non-equilibrium in-house flow analysis program was used for flow analysis. This in-house program covers the air chemical reaction, vibrational energy and transport property obtained from collision integral. After the energy deposition, high pressure inside the cavity makes the orifice chocked and Mach number becomes 4 at maximum jet velocity. As mass injects out from cavity, cavity pressure decreases and becomes unchocked which leads jet velocity to decrease. Long after the mass injection, cavity pressure goes below the external pressure and air recovers in cavity. As a result of computational analysis, velocity of spark jet reached supersonic.

플라즈마에 의한 평형 유동을 고려한 스파크제트 액츄에이터 유동 해석 프로그램 개발과 추력 특성 연구

김형진(Hyung-Jin Kim),신진영(Jin Young Shin),채정헌(Jeongheon Chae),안상준(Sangjun Ahn),김규홍(Kyu Hong Kim) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.2

스파크제트 액츄에이터는 플라즈마 합성 제트 액츄에이터(plasma synthetic jet actuator, PSJA)라고도 불리는 능동 유동 제어 장치로, 초음속 유동의 제어 가능성이 있어 많은 연구가 진행 중이다. 이 액츄에이터는 아크 플라즈마를 이용해 캐비티(cavity) 내부에 에너지를 주입하여 온도와 압력을 상승시킨다. 온도와 압력이 상승한 캐비티에서 오리피스(orifice)를 통해 압력파와 제트가 분출되어 외부 유동에 교란을 준다. 플라즈마의 영향으로 캐비티 유동은 고온, 고압의 평형 유동이 되기 때문에 스파크제트 액츄에이터의 유동 해석을 위해선 공기의 평형 상태를 고려해야 한다. 본 연구에서는 평형 유동의 특성을 고려하여 스파크제트 액츄에이터 유동 해석을 위한 수치해석 프로그램을 개발했다. 개발된 프로그램의 검증으로 문헌에서 얻을 수 있는 실험 결과와 시간에 따른 제트의 위치를 비교했다. 또한 상온, 상압의 무풍에서 액츄에이터의 추력 특성을 분석했다. Sparkjet actuator, also known as plasma synthetic jet actuator (PSJA), is an active flow control device that has possibility of controling supersonic flow. This actuator utilizes arc plasma to deposit energy onto the gas inside the cavity to raise temperature and pressure. A change in the state of the fluid inside the cavity generates pressure waves and momentum jet, and they are exhausted through out the orifice exit and disturb external flow field. Since the cavity flow is affected by arc plasma, which is an equilibrium plasma and have generated equilibrium flow, the equilibrium state of air should be considered in order to analyze the flow of sparkjet actuator. In this study, numerical program for equilibrium flow was developed for the use of sparkjet actuator analysis. The developed program was validated by comparing the time – accurate jet front positions with the reference result. Then, impulse characteristics of the actuator in the atmospheric quiescent air were explained.

스파크 유도 플라즈마 분광 시스템을 이용한 우주탐사용 암석 분석연구

정재헌(Jaehun Jung),여재익(Jai-Ick Yoh) 한국항공우주학회 2020 韓國航空宇宙學會誌 Vol.48 No.12

스파크 유도 플라즈마 분광법 (SIBS)은 전기 스파크를 사용하여 강력한 플라즈마를 유도한 후 원자 방출 스펙트럼 신호를 수집하는 방법이다. 이 연구는 우주 탐사에 활용되는 기존의 레이저 유도 분해 분광법 (LIBS) 대신 SIBS를 사용할 수 있는지의 잠재력을 보기 위해 진행되었다. 과거에는 SIBS를 사용하여 부피가 큰 고체 샘플을 대상으로 실험하는 것이 성공적이지 않았기 때문에, 본 연구에서는 전극 위치 및 전극 재료의 SIBS의 최적화 연구가 수행되었다. LIBS를 사용할 때에 비해 SIBS의 검출 한계 (LOD)가 78에서 20ppm으로 최대 4배 향상되어 있음을 볼 수 있었다. 생성된 플라즈마의 더 높은 에너지로 인해, SIBS에 의한 신호 세기는 동일한 분광계 설정에서 LIBS보다 3배 정도 높았다. Spark-induced breakdown spectroscopy (SIBS) utilizes an electric spark to induce a strong plasma for collecting atomic emissions. This study analyses the potential for usinga compact SIBS instead of conventional laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) in discriminating rocks and soils for planetary missions. Targeting bulky solids using SIBS has not been successful in the past, and therefore a series of optimizations of electrode positioning and electrode materials were performed in this work. The limit of detection (LOD) was enhanced up to four times compared to when LIBS was used, showing a change from 78 to 20 ppm from LIBS to SIBS. Because of the higher energy of plasma generated, the signal intensity by SIBS was higher than LIBS in three orders of magnitude with the same spectrometer setup. Changing the electrode material and locating the optimum position of the electrodes were considered for optimizing the current SIBS setup being tested for samples of planetary origin.

스파크 플라즈마를 이용한 초음속 제트 발생기에 대한 기초 연구

김영순(Youngsun Kim),이병수(Byoungsoo Lee),신지철(Jichul Shin) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

고속 제트를 발생시킬 수 있는 스파크 제트 발생기에 대한 기초 연구를 실험을 통하여 수행하였다. 세라믹 재료 내부에 만들어진 공동 (cavity) 내부에 스파크 플라즈마에 의하여 고속의 제트가 오리피스를 통하여 발생된다. 실험을 위해서 고전류 고주파수의 펄스발생기를 자체 제작하였다. 고전력 축전지를 사용하여 수 암페어의 전류를 가진 플라즈마를 수 마이크로초 동안 발생시킴으로써 초고속 스파크 제트를 만들 수 있다. 단일 Jet의 속도를 얻기 위해 0.1 기압으로 감압하였고 공동 내부에 10 μs 동안 9.7mJ 와 32.7mJ의 에너지를 주입하였으며 Jet의 최대 속도는 215m/s 와 330m/s로 측정 되었다. preliminary study on spark jet that can generate a supersonic jet is conduction experimentally. High speed jet is produced by a spark plasma generated inside a cavity embedded in a ceramic dielectric material and is injected to the ambient air through an orifice connected to the cavity. For experiment, a high current, high frequency in-house pulse generator is built and it can produce a high speed spark jet by generating a plasma with several amperes for a several microseconds using a high power capacitor. this result show that jet velocity measure 215m/s to 330m/s with deposit energy about 9.7mJ to 32.7mJ at pressure of 75torr.

펄스 아크 스파크 제트 플라즈마 구동기에 의해 발생된 고속 제트의 효율적 운전 성능 특성에 관한 연구

김영순(Young Sun Kim),신지철(Jichul Shin) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.11

아크 플라즈마에 의해 구동되는 스파크 제트의 다양한 에너지 공급 방법에 따른 효율적 운전 성능 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 펄스 당 37 mJ의 주입 에너지에 의한 급속한 기체의 가열에 의해 약 330 m/s의 고속 제트가 발생함을 확인하였다. 제트의 최대 속도와 침투 거리는 각각 주입된 전력량과 펄스 당 주입된 에너지에 비례하였다. 낮은 에너지에서는 오리피스 직경이 작을수록 더 높은 속도의 제트가 발생하였다. 공급 에너지가 같다면 전류를 높인 펄스가 펄스 폭을 높인 펄스보다 높은 속도의 제트를 발생시켰다. 펄스 폭이 약 10 μs이고 펄스 당 에너지가 약 10 mJ인 경우가 효율적인 운전에 보다 더 적합한 것으로 확인되었다. The performance of a spark jet driven by pulsed-arc plasma was investigated experimentally for various energy input. A high-speed jet (about 330 m/s) was obtained by rapid gas heating produced by 37 mJ of deposited energy per pulse. The peak velocity and penetration distance of the jet were proportional to the deposited power and the deposited energy per pulse, respectively. A smaller orifice diameter produces a higher velocity jet at lower energy levels. For the same deposited energy, higher-current pulses produce a higher jet velocity than higher-pulse-width pulses. A total deposited energy of about 10 mJ per pulse with a pulse duration of about 10 μs was found to be the optimum for energy- efficient operation.

스파크제트 액츄에이터의 제트 특성에 관한 수치해석 연구

김형진(Hyung-Jin Kim),채정헌(Jeongheon Chae),안상준(Sangjun Ahn),신진영(Jin-Young Shin),김규홍(Kyu Hong Kim) 한국항공우주학회 2018 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2018 No.4

스파크제트 발생기의 다중 펄스 및 배열 운전 특성

배준한(Junhan Bae),이병수(Byoungsoo Lee),신지철(Jichul Shin) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5