플라즈마 아크 절단(PAC)에서 노즐을 빠져나오는 가스 유동의 특성은 절단 품질에 유의미한 영향을 미친다. PAC에서의 고압 제트는 절단 대상 금속에 충돌할 때 복잡한 충격파 구조를 형성한다. 본 연구에서는 실제 PAC 작업물로부터 유도된 다양한 형상의 케르프(kerf) 내부에서의 유동 거동을 평가하였다. 케르프 내 절단 전면(cutting front)의 형상은 절단 속도의 변화에 따라 달라진다. 절단 속도가 높으면 절단 전면이 곡면화되어 원치 않는 가스 유동 거동을 유발하고 절단 성능에 부정적인 영향을 준다. 본 연구에서는 PAC 공정 중 곡면 절단 전면이 가스 유동 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 계산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 시뮬레이션 모델을 사용하였다. 수치 시뮬레이션에서 얻은 가스 유동 패턴을 슐리렌(Schlieren) 실험 결과와 정성적으로 비교하였다. 분석 결과, 절단 전면의 곡률은 유동 속도를 크게 감소시키는 비스듬한 충격파(oblique shockwave) 구조를 유발하는 것으로 나타났다. 특히 곡면 절단 전면 전반에 걸친 약한 충격 구조는 유동 속도를 점진적으로 감소시켰다. 임계 유동 속도는 절단 전면의 곡률이 매우 큰 케르프에서 구현되었으며, 그 이후에는 재료의 수직 관통(vertical penetration)이 불가능하였다. 전단응력(shear stress) 선은 케르프 벽의 성층 무늬(striation) 패턴과 일치하여 수치 해석 결과를 검증하였다.

*본 초록은 AI를 통해 원문을 번역한 내용입니다. 정확한 내용은 하기 원문에서 확인해주세요.