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유한요소해석 시뮬레이션을 위한 가스 절단 과정의 역학 분석 정리
이재인(J. I. Lee),고병수(B. S. Go),이준엽(J. Y. Lee),박민원(M. W. Park) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
가스 절단은 예열 화염 및 금속의 산화반응에서 발생하는 반응열을 통해 금속을 절단하는 공정이다. 해당 절단 방식은 이미 산업현장에서 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 원자력 발전 해체 작업과 같이 공정 과정이 위험하거나 접근이 어려운 산업에 가스 절단을 적용하려면 사전에 철저한 검토가 필요하다. 직접 모의 환경을 구성하여 테스트할 수 있지만 비용이 많이 발생하므로 유한요소 해석 시뮬레이션을 통한 검토가 필요하다. 본 논문에서는 가스절단 과정에서 발생하는 다양한 화학적, 기계적 역학을 수치적으로 분석하는 과정을 소개하고 유한요소 시뮬레이션에 적용하였다. 시뮬레이션에서 기계 및 화학역학 역학은 다음과 같이 정의되었다. 연료가스 및 산소의 반응으로 인해 발생하는 화염의 분출은 유체 이동, 화학 종 수송 및 반응역학을 통해 정의하였으며 화염의 열은 강재의 표면을 통해 전달된다. 강재는 온도 및 표면 화학종의 농도 조건에 따라서 산화가 진행되며 산화 금속은 용융점 부근에서 융합잠열 이상의 열량이 축적되면 용융(절단)이 이루어진다. 시뮬레이션은 COMSOL 프로그램을 통해 수행되었다. 본 논문의 시뮬레이션 단계에서는 시뮬레이션의 특성상 지배적인 영향을 주는 역학만을 고려하였지만 절단 과정에 대한 의미 있는 역학적 분석이 수행되었다. 본 연구 결과는 향후 상세한 시뮬레이션을 위한 토대로 사용하거나 매개변수 수정에 대한 절단 특성 변화를 확인하는데 적용할 수 있다.