Abstract
Measurements with a Langmuir probe, which are the most often used procedures of plasma diagnostics, can disturb plasma flows and change its characteristics quite a little because the probe should be inserted into thermal flowing plasmas. In this study, we calculated the characteristics of thermal plasmas with and without the probe into an atmospheric argon free-burning arc numerically, and investigated aerodynamic and thermal disturbances with temperature and axial velocity distributions. For the modelling of thermal plasmas, we have made two governing equations, which are on the thermal-flow and electromagnetic fields, coupled together with a commercial CFD package and user-coded subroutines. It was found that thermal disturbances happened to both sides of the probe, before and behind, seriously. Due to the aerodynamic disturbance, we could find that there were the stagnation point in front of the probe and the wake behind it. Therefore, aerodynamic and thermal disturbances caused by the probe insertion should be considered to increase the reliability of the probe diagnostics.
플라즈마 진단법 중 손쉽고 구동이 용이한 장점으로 인해 범용 플라즈마 진단 장치로 사용되는 랑뮤어 (Langmuir) 탐침법은 탐침이 직접 플라즈마 내에 삽입됨으로써 플라즈마를 간섭하기 때문에 플라즈마 고유의 특성을 변형시키는 약점이 있다. 본 연구에서는 대기압 아르곤 자유 연소 아크 (free-burning arc)에 삽입된 랑뮤어 탐침에 의한 교란 영향을 고찰하기 위하여 탐침 유무에 따른 열플라즈마 상태를 수치계산 하였고, 온도장과 속도장이 왜곡된 정도를 비교 분석하였다. 열플라즈마를 모델링하기 위하여 열유동장과 전자기장에 관한 두 종류의 지배방정식을 상용 CFD 프로그램과 자체 제작한 서브루틴을 이용하여 연계 계산하였다. 삽입된 탐침에 의해 열플라즈마 온도장은 탐침의 앞뒤에서 모두 플라즈마 축의 수직 방향으로 큰 변화를 나타내는 열적 교란이 발생되었다. 속도장에서는 탐침 선단의 정체 영역과 후단 후류 영역에서 유동 교란이 발생되었으며, 삽입 된 탐침의 영향이 국부적인 것이 아닌 플라즈마 유동장 대부분 영역에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 따라서 탐침법의 신뢰성을 높이기 위해서는 탐침 삽입에 의한 플라즈마의 열유체역학적 교란을 고려해야 한다.
