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문제 정의
- 두 번째 항은 지면에서 반사조건을 적용했을 때의 Gaussian 확산모델항이다. Gaussian 함수로 사용하여 계측자료를 회 귀곡선으로 표시한 것은 본 실험의 결과가(평탄 한 지형에 대해서) 대표적으로 사용되어온 확산 모델인 Gaussian 모델의 기본 가정에 얼마나 잘 부합되는지(혹은 상이한지) 살펴보기 위해서이다.
- 모델검증에는 실제현상과 모델결과를 바로 비교하는 직접적인 방법이 있다. 산악지형에서 SFe 와 같은 추적자 물질을 대기 중으로 방출하여 관찰된 실제 확산 양상에 대해서 모델을 비교 검증하는 것이다. 잘 수행된 야외확산실험은 모델평가에 있어 종합적으로 매우 유용한 기준을 제공하지만, 요소별 모델검증에 요구되는 세밀한 자료를 제공하지 못하는 약점이 있다.
- (3) 서로 다른 추적자를 사용하여 각기 독립적 으로 반복한 확산실험이 일정 오차범위 안에서 서로 일치하였다. 이러한 결과는 열과 SF6를 확 산 추적자로 사용한 풍동실험에 대해 적정한 신 뢰성을 보장해 준다.
제안 방법
- 삼각기호는 온도(농도)측 정위치이다. 각 위치에서 연직방향으로 15개 고도 혹은 5개 고도에서 각각 온도와 농도를 측정하였다. 사각기호는 배출원의 중심위치로 지형모형에 고정하였다.
- 부채꼴의 중심선은 항상 접근류의 풍하방향을 향하도록 배치하여, 실험조건인 풍향이 바뀔 경우에도 항상 추적자의 확산 양상을 포착할 수 있도록 하였다. 각 측정 지점에서는 온도와 SF6 농도의 시간 평균을 구하였다. 온도는 20개 위치에서(Tl~T20) 연직방향으로 15개 고도에서 측정하였으며, SFe 농도는 11개 위치에서(S1~S11) 연직방향으로 5개 고도에서 측정하였다.
- 동일한 기류조건을 대상으로 각각 열과 SF6를 추적자로 하여 확산실험을 반복하여 수행하였다. 각 확산실험에서 열원(히터)과 SFe 배출원(가스방 출구)의 위치는 동일하며, 배출원의 형태(원기둥) 또한 유사하게 제작함으로써 추적자의 종류를 제외한 나머지 확산조건이 유사하도록 실험조건을 설정하였다. 히터와 SFe 가스방출원의 형상은 직경 10mm, 길이 100mm인 원통형으로 제작하였다.
- 3에서 사각기호는 온도측 정위치 이며, 원형기호는 SF6 농도측정위치이다. 결과의 비교를 위해서, SFe 농도측정위치는 온도 측정위치와 동일하게 설정하였다(Fig. 3: S1 = T1, S2 = T5, S3 = T6, S4 = T7, S5=T8, S6=T10, S7 = T12, S8=T13, S9 = T14, S10=T16, S11 = T19). 본 연구에서와 같이 배출 및 기류조건이 동일하고, 분자확산에 비해 난류혼합이 우세하며, 열확 산공간에서 온도편차가 크지 않은 경우, 열확산 과 SFe 확산은 이론적으로 거의 동일한 패턴을 따른다.
- 이때 측정시점의 외기 온도는 열확산에 의해서 영향을 받지 않는 것으로 판단되는 400 mm 고도의 온도로 설정하였다. 그 후, T1 지점에서 동시에 계측한 연직 온도자료(15개 고도)에서 외기온도 상승분(혹은 하강분) 을 땟다. 나머지 측정지점에 대해서도 동일한 방법으로 외기온도변화에 따른 효과를 보정하였다.
- 대형 경계층 풍동에서 실제 지형을 1/1000 규 모로 축소한 산악모형을 대상으로 열 및 SF6 확 산실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 동일한 기류조건을 대상으로 각각 열과 SF6를 추적자로 하여 확산실험을 반복하여 수행하였다. 각 확산실험에서 열원(히터)과 SFe 배출원(가스방 출구)의 위치는 동일하며, 배출원의 형태(원기둥) 또한 유사하게 제작함으로써 추적자의 종류를 제외한 나머지 확산조건이 유사하도록 실험조건을 설정하였다.
- 마지막으로 확산양상을 나타내는 지표의 하나로서, 각 수평위치(Tl~T20, S1~S11)에서 SFe 와 온도에 대한 회귀함수의 연직 적분값(1)을 비 교하였다.
- 야외확산실험과 비교하여 풍동은 잘 조절된 기상조건을 제공할 뿐 아니라 고해상도의 기류측정이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 풍동을 이용하여 전형적인 산악지형을 대상으로 실제지형을 1/1000로 축소시킨 실험실 규모의 확산실험을 수행하였다. 풍동 내에서 열과 SF6를 추적자로 사용하여 두 종류의 확산실험을 수행하였으며, 동일한 기상 및 배출조건에 대해서 독립적으로 반복 수행된 각 결과를 비교 분석함으로써 실험결과의 신뢰도를 높이고자 하였다.
- 외기온도의 변화로 인한 각 측정지점의(예 : T1 지점) 온도변화는 다음과 같이 보정하였다. 수평 위치 T1 지점에서 온도를 계측할 때의 외기온도 와 기준 외기온도와의 차, 곧 외기온도 상승분(혹은 하강분)을 측정하였다. 이때 측정시점의 외기 온도는 열확산에 의해서 영향을 받지 않는 것으로 판단되는 400 mm 고도의 온도로 설정하였다.
- 열과 SFe 가스를 사용한 추적자 실험결과를 비교하기 위해서 측정된 온도와 농도는 각각의 관측 최대치(T1 혹은 S1 측정위치에서 최대값)를 사용해서 무차원화하였다. 즉, 원시 측정자료에서 온도와 농도를 관측 최대치로 나눈 값을 각각 무차원 온도와 농도로 정의하였다.
- 열과 SFe 가스를 추적자로 사용한 확산실험을 대형 경계층 풍동(Eiffel type)에서 수행하였다. 풍동의 전체 길이는 53이인데, 그 중 측정부의 크기는 길이 25m, 높이 2.
- 각 측정 지점에서는 온도와 SF6 농도의 시간 평균을 구하였다. 온도는 20개 위치에서(Tl~T20) 연직방향으로 15개 고도에서 측정하였으며, SFe 농도는 11개 위치에서(S1~S11) 연직방향으로 5개 고도에서 측정하였다. Fig.
- 온도는 열전대를 이용하여 계측하였고, SF6 농도는 이동식 가스포집기를 사용하여 각 측정위치에서 60초 동안 포집하여 질량분석기로 분석하였다. Fig.
- 모형은 풍동의 측정공간 내에 회전 가능한 원형 테이블 상단에 설치하였다. 원형 회전 테이블의 회전 각도를 조절하여 4가지 풍향조건(NW, NNW, N, NNE) 에 대한 실험을 수행하였다.
- 5이이다. 지형 모형은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 실제 산악지형을 1/1000 크기로 축소하여 압축 스티로폴로 제 작하였다. 실지형에 해당하는 모형의 원형부 지름은 3.
- 본 연구에서는 풍동을 이용하여 전형적인 산악지형을 대상으로 실제지형을 1/1000로 축소시킨 실험실 규모의 확산실험을 수행하였다. 풍동 내에서 열과 SF6를 추적자로 사용하여 두 종류의 확산실험을 수행하였으며, 동일한 기상 및 배출조건에 대해서 독립적으로 반복 수행된 각 결과를 비교 분석함으로써 실험결과의 신뢰도를 높이고자 하였다.
- 풍속은 Fig. 2에 보인 바와 같이 일정 수평 간격의 격자형상으로 배치된 20개 위치에서 연직방향으로 15개 고도(5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 mm)에서 다점풍속계 (System 6242, model 1550, Kanomax, Japan)를 사용하여 측정하였다. 풍속의 측정위치는 모형에 고정시켰다.
- 2에 보인 바와 같이 일정 수평 간격의 격자형상으로 배치된 20개 위치에서 연직방향으로 15개 고도(5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 mm)에서 다점풍속계 (System 6242, model 1550, Kanomax, Japan)를 사용하여 측정하였다. 풍속의 측정위치는 모형에 고정시켰다. 그 결과, 풍향에 따라 모형이 회전되지만 모형상에서 풍속측정위치는 일정하다.
대상 데이터
- 북풍(NN]대해서는 7개 지 점에서 북북동풍(NNE)에 대해서는 1개 지점에서 비교 가능한 자료를 얻었다. 북북서(NNW)에 대해서는 11개 지점 모두에서 비교 가능한 자료를 얻었다.
- 사각기호는 온도이고, 삼각기호는 SFe 농도이며, 또한 온도와 SF6 농도가 모두 측정된 지점만을 나타내었다. 북풍(NN]대해서는 7개 지 점에서 북북동풍(NNE)에 대해서는 1개 지점에서 비교 가능한 자료를 얻었다. 북북서(NNW)에 대해서는 11개 지점 모두에서 비교 가능한 자료를 얻었다.
- 잘 수행된 야외확산실험은 모델평가에 있어 종합적으로 매우 유용한 기준을 제공하지만, 요소별 모델검증에 요구되는 세밀한 자료를 제공하지 못하는 약점이 있다. 야외확산실 험에서 추적자 농도와 함께 관측되는 기상자료는 지상관측점(AWS) 자료와 고도별 연직 관측자료로 구성된다. 이 중 연직 관측자료는 확산실험 현장에서 수내지 수십 km 떨어진 지점에서 관측된 자료(정기 관측자료)로 대체되거나 종종 생략되기도 한다.
- 열과 SFe 가스를 추적자로 사용한 확산실험을 대형 경계층 풍동(Eiffel type)에서 수행하였다. 풍동의 전체 길이는 53이인데, 그 중 측정부의 크기는 길이 25m, 높이 2.5m, 폭 4.5이이다. 지형 모형은 Fig.
- 각 확산실험에서 열원(히터)과 SFe 배출원(가스방 출구)의 위치는 동일하며, 배출원의 형태(원기둥) 또한 유사하게 제작함으로써 추적자의 종류를 제외한 나머지 확산조건이 유사하도록 실험조건을 설정하였다. 히터와 SFe 가스방출원의 형상은 직경 10mm, 길이 100mm인 원통형으로 제작하였다. 가스방출원의 경우 원통관에 미세한 구멍을 뚫어 내부의 SFe 가스를 유동장 내로 방출하였다.
데이터처리
- 온도 및 SF6 가스농도는 Fig. 3에 제시한 형태의 계측위치에서 시간 평균을 구하였다. 온도/농도 측정위치는 배출원을 중심으로 풍하방향으로 부채꼴 형상으로 배치하였다.
성능/효과
- (1) 열을 추적자로 한 확산실험과 SF6를 사용한 실험결과는 모든 풍향에 대해서 모든 비교지 점에서 비교적 잘 일치하였다. 동일한 위치에서 연직 최고 온도와 최고 농도는 가장 높은 일치도 를 보였으며, SFe 가스확산폭과 열확산폭 간의 일치도는 상대적으로 가장 낮았다.
- (2) SF6 농도와 온도의 연직분포는 지면에서 반 사조건을 만족하는 Gaussian 함수에 의해 잘 표 현되었다(R = 0.96). 그러나 추적자의 확산 중심선 이 지형조건에 따라 복잡하게 편향되고, 확산 중 심선의 고도가 지면 기울기에 따라 차이를 보여 평탄지역에 대해 적용되어 온 Gaussian 모델과는 판이한 양상을 보였다.
- (3) 서로 다른 추적자를 사용하여 각기 독립적 으로 반복한 확산실험이 일정 오차범위 안에서 서로 일치하였다. 이러한 결과는 열과 SF6를 확 산 추적자로 사용한 풍동실험에 대해 적정한 신 뢰성을 보장해 준다.
- 96). 그러나 추적자의 확산 중심선 이 지형조건에 따라 복잡하게 편향되고, 확산 중 심선의 고도가 지면 기울기에 따라 차이를 보여 평탄지역에 대해 적용되어 온 Gaussian 모델과는 판이한 양상을 보였다.
- (1) 열을 추적자로 한 확산실험과 SF6를 사용한 실험결과는 모든 풍향에 대해서 모든 비교지 점에서 비교적 잘 일치하였다. 동일한 위치에서 연직 최고 온도와 최고 농도는 가장 높은 일치도 를 보였으며, SFe 가스확산폭과 열확산폭 간의 일치도는 상대적으로 가장 낮았다.
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