밀도성층을 통과하는 수면파 및 내부파의 전파특성

이우동,허동수 대한토목학회 2016 대한토목학회논문집 Vol.36 No.5

Hydrodynamic characteristics of wave propagation through density stratification have not been identified in details. So this studyconducted a numerical simulation using LES-WASS-3D ver. 2.0 for analysis of density current due to water temperature and salinityin order to analyze hydraulic characteristics under wave action in a two-layer density stratified fluid. For the validity and effectivenessof numerical wave tank used, it was compared and analyzed with the experiment to show waveform based on 3rd-order Stoke wavetheory at the internal of a density stratification. Using the results obtained from numerical simulation, the surface and internal waveheights are reduced as the wave propagates in a two-layer density stratified water. And the surface or internal wave attenuation becamemore serious as the vorticities were increased by the velocity difference of wave propagation due to the upper-lower density differencearound the interface of a density stratification. As well, the surface and internal wave attenuations became more serious with higherdensity difference and depth ratio between upper and lower layers when the wave propagates through a density stratification 아직까지 밀도성층을 통과하는 파랑변형에 관한 동수학적 특성에 대해서 명확히 밝혀진 부분은 그다지 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 2층 밀도성층을 통과하는 파랑의 수리특성을 수치적으로 해석하기 위하여 온도와 염분에 따른 밀도류를 해석할 수 있게 개량된 3차원 수치파동수조(LES-WASS-3D ver. 2.0)를 이용하여 수치시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 이용하는 수치파동수조의 타당성 및 유효성을 확인하기 위하여Stokes 3차 파랑이론에 근거한 내부파형을 비교․ 검토하였다. 수치시뮬레이션 결과로부터 밀도성층을 통과하는 수면파 및 내부파의 파고가 감소하는 현상을 알 수 있었으며, 이것은 상 ․ 하층의 밀도차이에 기인한 전파속도 차이로 인하여 계면에서 강한 와도가 발생하기 때문으로 확인되었다. 또한 밀도성층의 밀도차이가 증가할수록, 상․ 하층의 수심비가 증가할수록(상층의 수심이 깊어질수록) 와도가 강하게 발생하여 수면파 및내부파의 파고감쇠를 심화시키는 것을 확인할 수 있었다.

가상경계법에 의한 3차원 지형 주위의 성층 유동 해석

최춘범,이승수,양경수,윤동혁 한국풍공학회 2006 한국풍공학회지 Vol.10 No.1

Density stratification is well known for variety of related phenomena in the atmospheric science. Interaction between density stratification and topographical terrain is of interest not only in the atmospheric science but also in aerodynamics of airplane and air pollution in urban area. However, the flow field in the density stratified fluid is mainly studied experimentally while analytic or numerical approaches are very rare. In this study, computational fluid dynamcis is utilized to understand the flow field in the density stratified fluid around 3 dimensional topography. As the numerical method, an immersed boundary method is employed to discretize the domain around hemisphere as well as Gaussian hill. The computations are performed for various Re and Fr as well as shape of the hill. Two hills in tandem are also modeled to analyse the effects of distance between them. The results show that vortex shedding behind the obstacle occurs at Fr<0.4 and the effects of Re diminishes while shedding is unified as the stratification is stronger. At Fr=0.2, the shedding frequency is nearly independent of the shape of the obstacles and converged to 0.19. It is also found that the vortex shedding occurs over all of lee ward face of hemisphere while it forms first on the upper part if lee ward face of 3 dimensional hill. 대기의 밀도 성층화는 대기 과학적 측면에서 다양한 현상을 유발하는 인자로 인식되어 오고 있다. 대기의 밀도 성층화와 지형의 상호 작용에 의한 현상은 비단 대기 과학적인 관심일 뿐 만 아니라 산악주위를 비행하는 항공기의 갑작스런 부침에도 영향을 미치며 간접적으로는 대기의 온도 역전현상으로 인해 도시 지역에 발생하는 대기 오염물질의 갈색 구름 (brown cloud)의 형성에도 영향을 미친다. 이와 같이 밀도 성층화는 건축, 토목, 환경, 해양, 기계와 관련된 유동에서 매우 중요한 역할을 하는 유동유발 인자이다. 하지만 밀도 성층이 관련된 유동의 해석은 국내에서는 극히 미미한 실정이고 외국에서는 실험을 중심으로 비교적 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 3차원 지형 주위의 밀도 성층 유동 현상을 이해하기 위하여 전산 유체역학을 통한 해석을 수행하였다. 수치 기법으로 가상 경계법을 사용하여 반구(hemisphere)와 3차원 축대칭 언덕(Gaussian hill) 주위 성층유동에 대한 해석을 수행하여 Re 및 Fr와 장애물의 형상 변화가 유동장에 주는 영향에 대해 중점을 두었다. 한 개의 장애물뿐 만 아니라 2개의 언덕이 주유동 방향으로 배열되어 있을 때 그 거리에 따른 상호작용이 연구되었으며 층류 영역에서 연구가 진행되었다. 연구 결과 Fr<0.4일 때 장애물 후류에서 와흘림이 발생하며 성층이 강해질수록 Re의 효과는 약해지고 와흘림의 성격은 일률화 된다. 특히 Fr=0.2일 때 St의 값이 형상에 조차 의존하지 않고 약 0.19로 수렴하는 결과를 낳았다. 상부로 갈수록 수평단면적이 급격히 감소하는 3차원 언덕의 형상적 특징은 Re를 감소시키는 효과를 발생시킨다. 이런 효과는 비성층 유동에서 잘 나타나고 있으며 같은 Re임에도 불구하고 3차원 언덕 주위의 유동 현상과 반구 주위의 유동현상이 서로 같지 않은 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 3차원 언덕의 형상적 특징은 강성층에서 높이에 따른 와구조의 위상 변화를 유발한다. 반구의 경우 장애물의 상하부에서 거의 동시에 와류가 활성화되는 반면 3차원 언덕의 경우에는 언덕의 하부보다 상부에서 먼저 와류가 형성됨을 확인하였다.

밀도층 유체에서 해양 방사파 패턴 특징

민은홍(Eun-Hong Min),최하윤(Ha-Yun Choi),김영규(Young-Gyu Kim),백광준(Kwang-Jun Paik),구원철(Weon-Cheol Koo) 한국해양공학회 2019 韓國海洋工學會誌 Vol.33 No.1

The sea is stratified with water that has different densities because of pressure, temperature, and salinity. When conducting studies of internal waves in the ocean, the fluid is assumed to have layers that have discrete densities. This assumption is made because it is difficult to achieve layers that exhibit gradual changes in the density of the water. In this study, we used previous studies on ocean waves and their radiation issues in the density layer fluid to investigate the characteristics of internal waves in the ocean and their radiation patterns induced by a moving body in a stratified fluid. We also studied the difference in wave radiation between the density gradient layer and the discrete density layer. We found that the wave radiation patterns depended on the velocity of the moving body and the change in the density of the water. The crest apex shift phenomenon was observed in the density gradient in the layer of fluid.

호소수의 수질개선을 위한 DCG 설치시 운전조건에 관한 연구

이영신(Young Shin Lee),한경희(Kyung Hee Han),김영규(Young Kyu Kim),안형철(Hyung Chul An),신성우(Sung Woo Shin) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.4

본 연구의 목적은 대형호소를 대상으로 밀도류확산장치(DCG)의 적용에 따라 DCG장치의 운전조건과 성층파괴 여부, 수질개선, 조류발생 억제 등에 대한 효과 연구이며, 이 때 생태독성을 최소화하는 조건에서, 밀도류 발생장치(DCG)의 최적의 운전변수를 도출하기 위해 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 조사기간 중 ’11년 9월, ’11년 10월, ’12년 5월에 성층현상이 뚜렷하게 나타났으며, 이때에 수온약층을 형성하는 수심은 평균 5 ± 2 m로 나타나 DCG 가동을 위한 토출구의 위치는 표층으로 부터 약 5 m 아래로 결정하였다. 물순환시 저서생물의 악영향을 최소화하고, 물 혼합의 효과를 얻기 위해 생태독성평가와 DCG 운전특성 유동해석에 의하여 표층수와 심층수 혼합비를 3:1로 설계하였다. DCG의 적합한 가동시간 선정하기 위해 DCG 가동시간을 각각 12 hr, 24 hr, 36 hr, 48 hr별로 가동하였으며, 36 hr 가동시 수온약층이 형성되지 않았다. 또한, 전력소모량을 산정하였을 때, 36 hr 가동후 2일간 정지하여 3일째 재가동하는 것이 효과적이라고 판단되었다. 위의 조건에서 DCG 가동시 DO, 수온의 분석결과, 기존에 뚜렷하게 나타난 성층현상이 약하게 나타났으며, COD, chlorophyll-a의 수질분석결과, 가동 전보다 비교적 낮은 수치를 나타내어, DCG 가동으로 인한 밀도류 발생에 의한 물의 순환으로 수체가 안정적인 조건으로 유지되고 있다고 판단된다. The purpose of this study is to investigate the effects of applying density current generator (hereafter referred to as DCG to large lakes on the operating conditions of DCG, de-stratification, water quality improvement and inhibition of algae occurrence. As a result of a survey conducted to derive the optimum operating parameters of DCG in a condition to minimize eco toxicity, the following conclusions were obtained. During the survey period, a marked stratification appeared in September to October 2011 and May 2012. At this time, the average depth of water to form thermocline was found to be 5 ± 2 m, so the location of discharge port for the operation of DCG was determined to be about 5 m below from the surface. To minimize the adverse effects of benthos and obtain the effect of water mixture at the time of water circulation, the mixing ratio of surface water and deep water was designed to be 3:1 by means of eco toxicological assessment on the DCG operating characteristics. To select the appropriate operating hours for DCG, DCG was operated by 12 hr, 24 hr, 36 hr and 48 hr. As its result, the formation of thermocline did not occur during the operation of 36 hr. Also, It was effected that start reoperating from 3rd day after stop 2days under the condition of operated during 36 hr with calculated power consumption. Under the above conditions, the results of DO and water temperature analysis during the operation of DCG showed that the stratification, which was distinct previously, appeared to be weak, and relatively lower levels than those before operation were found as a result of water quality analysis on COD and chlorophyll-a, which leads to the conclusion that the water body is maintained at a stable condition due to the circulation of water by the occurrence of density current resulting from the operation of DCG.

해역에서의 지형성 저열효과를 고려한 성층유동 수치모델에 관한 연구

윤종성(JUNG-SUNG YOON),김명규(MYOUNG-KYU KIM),한동진(DONG-JING HAN),김가야(GA-YA KIM) 한국해양공학회 2008 韓國海洋工學會誌 Vol.22 No.5

In Jinhae-Masan bay, a typical semi-closed bay in Korea, the water quality is severely deteriorated because of the closed topographic character and the inflow of nutrients from the land. There have been attempts to apply a water quality model dealing with the entrophication phenomenon and the oxygen-deficient mass in the bay in summer, but there have been fow examples of models that have considered the phenomenon of stratification in the proper order, and then it is performed the model of water quality. Therefore, this study collected and analyzed the pre-observed water temperature data from Jinhae-Masan bay in summer and then constructed a density model using the topographic heat accumulation effect and inflow from the river to examine the temperature stratification. The simulation results shaw that this model could demonstrate the temperature stratification in the Jinhae-Masan bay very well.

광양만과 진주만 해역에서 담수 유입으로 인한 밀도성층 변화

강영승(Kang, Young-Seung),채영기(Chae, Yeong-Ki),이형래(Lee, Hyung-Rae) 한국해안해양공학회 2011 한국해안해양공학회 논문집 Vol.23 No.1

본 연구에서는 EFDC 모델을 이용하여 광양만과 진주만 해역에 대한 조석과 수온, 염분을 고려한 3차원 해수순환 양상을 재현하였다. 수치모델 결과는 관측 자료를 이용하여 검증하였고 그 결과 모델은 관측결과를 잘 재현하였다. 실험 결과, 연구해역의 해수순환은 노량수도와 대방수도 중간 해역에서 해수가 수렴 및 발산되는 양상을 보이고 잔차류는 전형적인 2층 순환구조를 보인다. 모델을 통해 광양만과 진주만 일대의 밀도성층 변화를 분석한 결과, 연구해역은 담수의 영향이 지배적인 해역으로 진주만의 경우 남강댐 방류의 영향을 지배적으로 받는 해역이지만 남강댐에서 방류를 하지 않는 경우에는 섬진강의 영향도 받는 것으로 나타났다. 한편 남강댐 방류시에는 광양만의 성층이 상대적으로 강화되는 결과를 볼 수 있었다. This study simulate three-dimensional ocean circulation patterns using the EFDC model in the Kwangyang Bay and Jinju Bay, considering tide, water temperature and salinity. The numerical model results were verified using observed data. The model results well reproduced the observed data. As a result, ocean circulation patterns in the study area show convergence and divergence in the middle area of Noryang waterway and Daebang waterway, the residual flow patterns show typical two-layer circulation. According to the change of the density stratification in the Kwangyang Bay and Jinju Bay, the effect of fresh water is dominant in study area. In the case of Jinju Bay, although it is strongly influenced by the Namgang fresh water, also it is affected by Seomjin River when there is no discharge by Namgang Dam. On the other hand, the stratification of the Kwangyang Bay is relatively enhanced by the discharge of Namgang Dam.

선형 성층수조에서의 선택취수에 관한 실험적 연구

김영도(Kim Young Do),박재현(Park Jae Hyeon),손병주(Son Byung Ju) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 B Vol.31 No.6B

저수지내에서의 탁수층의 혼합거동은 연중 온도변화에 영향을 받으며 특히 여름철에 발생하는 한 개 내지 두 개의 수온약층과 이에 따라 밀도가 다론 연직층 분포에 의해 변화한다. 이와 같은 밀도성층은 연직방향의 혼합을 제한하고 저수지내에서 다양한 수리학적인 거동을 야기한다. 따라서 저수지내에서는 특정 수질 문제를 해결하기 위해 선택취수를 수행할 수 있다. 본 연구에서는 이와 같은 선택취수의 효율을 해석하기 위하여 성층흐름의 수리학적 특성에 관한 실험연구를 수행하였다. two-tank 기법을 이용한 성층수조에서 밀도경사와 유량을 변수로 한 각 조건별 취수구 주변의 수리학적 특성을 입자영상유속계(PIV)를 이용하여 측정하였다. 측정된 유속장을 이용하여 Richardson 수에 따른 선택취수의 효율에 대한 상관관계를 제시하였다. The mixing behavior of turbidity currents in a reservoir is closely related with the annual temperature change of the reservoir. In the summer the reservoir has a well defined structure: one or two thermoclines and some layers of different densities. This density stratification inhibits vertical mixing and affects various hydrodynamic processes within the reservoir. Therefore many reservoirs can be operated to release water of the specific quality with the selective withdrawal. In this study the hydraulic experiments were performed to analyze the efficiency of selective withdrawal. The velocity distributions are measured with PIV in the stratified lank with the "two-tank" method. The relationship between the Richardson number and the selective withdrawal efficiency are provided using the measured velocity distributions.

조력발전소 가동에 따른 시화 해역의 해수특성 변화

강영승(Kang, Young Seung),채영기(Chae, Yeongki),이형래(Lee, Hyung Rae) 한국해안해양공학회 2013 한국해안해양공학회 논문집 Vol.25 No.4

시화조력발전소 가동에 따른 인근 해역의 해수특성 및 성층변화를 파악하기 위하여 3차원 수치모델을 이용하였다. 여름철의 경우, 하천을 통해 유입되는 담수의 영향으로 인해 시화호 내측의 밀도는 수온보다는 염분에 의해 더 영향을 받는다. 조력발전소 가동 전에 호 내측에서는 외해에 비해 상대적으로 고온, 저염의 해수특성을 보이는 반면에 조력발전소 가동 시에는 호 내측의 수온이 소폭 낮아지고 염분이 증가하는 경향을 보인다. 또한 조력발전소 가동 시 해수의 유입 유출이 활발해짐에 따라 혼합효과의 증대로 인해 시화호의 밀도는 증가하고 성층은 약화되는 것으로 나타났다. In order to investigate the changes in sea water characteristics and stratification due to operation of Shihwa tidal power plant, three dimensional numerical model is used. In summer, the density of inner part of Shihwa Lake is more affected by salinity than water temperature due to fresh water discharge. Before tidal power plant operation, the sea water characteristics in Shihwa Lake shows relatively high temperature and low salinity. After tidal power plant operation, water temperature decreases slightly and salinity tends to increase in Shihwa Lake. Also, density increases and stratification tends to weaken by mixing with sea water.

계절변화가 해양방류수의 근역혼합거동에 미치는 영향

윤영호 ( Young-ho Yoon ),이호진 ( Ho-jin Lee ),유병로 ( Byong-ro Ryu ) 한국환경기술학회 2004 한국환경기술학회지 Vol.5 No.3

해양방류하수의 근역혼합거동은 방류시설이 설치된 지역의 주변 환경특성에 영향을 받는다. 영향을 미치는 주된 환경영향변수들은 주변수 밀도 성층과 주변수의 유속이다. 계절변화가 해양방류하수의 근역혼합거동에 미치는 영향을 평가하기 위해서 여름철 주변수의 밀도성층이 이루어진 마산해양방류시설에서 근역혼합거동을 모의하였고, 또 겨울철의 비성층 특성을 나타내는 속초해양방류시설의 근역혼합거동을 모의하였다. 여름철 마산해양방류시설의 근역혼합특성과 겨울철 속초해양방류시설의 근역혼합특성을 비교함으로써 계절변화가 해양방류하수의 근역혼합과정에 미치는 영향을 조사하였다.정에 미치는 영향을 조사하였다. The near field mixing behaviors of ocean outfall plumes which depend on ambient environmental parameters at ocean outfall site. The major environmental parameters are ambient water-density stratification, ocean current velocity. To evaluate the effect of seasonal variation on near field mixing behaviors, under the typical summer condition of water-density stratification at the Masan outfall, nearfield mixing behaviors are simulated. Also, under the typical winter condition of water-density unstratification at the Sokcho outfall, those are simulated. Comparing near field mixing characteristics of Masan outfall in Summer with those of Sokcho outfall in winter, the effect of seasonal variation on near field mixing processes of ocean outfall plume are investigated.

일본 미카와만의 시간적인 성층변화 양상 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),조봉식(Cho, Bong-Sik) 한국해안해양공학회 2010 한국해안해양공학회 논문집 Vol.22 No.3

일본 미카와만의 연안 모니터링 부이에서 연속 관측한 수온 및 염분자료를 이용하여 성층의 시간적인 변화 양상을 분석하였다. 분석결과 우선 성층은 뚜렷하고 우세한 1년 주기의 변화 양상을 보이고 있으며, 표층과 저층의 밀도차이로 정의되는 성층강도는 강도가 증가할수록 발생빈도는 기하급수적으로 감소하는 양상을 보이는 것으로 파악되었다. 한편 성층강도의 발생빈도 분포는 정규분포 형태와는 다른 대수 정규분포 또는 지수분포 형태에 보다 근접한 것으로 파악되었다. 수온과 염분의 분산도 분석결과, 저층은 직선 형태의 변화 양상을 보이고 있으나 표층은 곡선 또는 고리(loop) 형태의 변화양상을 보이고 있는 것으로 파악되었다. 한편 성층강도 추정오차를 분석한 결과, 월 4회 관측빈도의 자료를 이용한 오차범위는 본 연구에서와 같이 관측부이의 1일 연속자료를 이용한 오차범위보다 4.45배 이상 증가하는 것으로 파악되었다. Analysis on the temporal variation of the stratification is carried out by using the continuous water temperature and salinity data observed in the coastal monitoring buoy in Mikawa Bay, Japan. The main analysis results are as follows. The stratification pattern have an obvious and dominant 1-year period variation and the occurrence frequency (days) are exponentially decreased as the stratification intensity (SI) defined as the density difference between surface and bottom layers linearly increases. The frequency distribution function of the SI is presumably close to the log-normal function type or exponential function type. From the water temperature and salinity scatter diagram analysis, the line and loop type patterns are shown in the bottom and surface layers, respectively. In addition, the analysis of the SI estimation show that the error bound in case of using the weekly-monitoring data is about 4.45 times greater than that in case of using the continuous (daily) monitoring data.