일반적으로 해수가 강으로 침입하거나 담수가 해양으로 유입을 하면 두 유체간의 밀도차에 의한 밀도류의 성질을 가진다. 하지만, 염분과 온도가 동시에 밀도의 차를 결정하는 경우, 특히 이 중 하나가 중력과 불안정한 수직 분포를 갖게되면 이중확산이 혼합을 결정하는 중요한 요인이 된다. 본 연구에서는 고온, 고염의 수괴가 저온, 저염의 수괴로 진입할 때 기계적 혼합과 이중확산에 의한 대류가 혼합에 미치는 상대적 영향을 비교 연구하였다. 실험실에서 차갑고 염도가 없는 주 흐름에 온도가 높고 염분이 높은 밀도류를 조심스럽게 방류시켜 정상상태의 염수침입 형태를 유지하였다. 수평방향으로 따라 밀도율(Turner 1979)이 15정도 되면 온도와 염분의 유출입량비율이 가파르게 변화하였고, 전체적으로 방출구 부분에서 이중확산의 영향이 강하게 나타나게 되며 이 경우에는 총 방출량도 함께 증가하였다. 아울러 밀도율이 낮은 경우 밀도율이 높은 경우에 비해서 약 $6{\times}10$배의 높은 혼합율을 보였다.
일반적으로 해수가 강으로 침입하거나 담수가 해양으로 유입을 하면 두 유체간의 밀도차에 의한 밀도류의 성질을 가진다. 하지만, 염분과 온도가 동시에 밀도의 차를 결정하는 경우, 특히 이 중 하나가 중력과 불안정한 수직 분포를 갖게되면 이중확산이 혼합을 결정하는 중요한 요인이 된다. 본 연구에서는 고온, 고염의 수괴가 저온, 저염의 수괴로 진입할 때 기계적 혼합과 이중확산에 의한 대류가 혼합에 미치는 상대적 영향을 비교 연구하였다. 실험실에서 차갑고 염도가 없는 주 흐름에 온도가 높고 염분이 높은 밀도류를 조심스럽게 방류시켜 정상상태의 염수침입 형태를 유지하였다. 수평방향으로 따라 밀도율(Turner 1979)이 15정도 되면 온도와 염분의 유출입량비율이 가파르게 변화하였고, 전체적으로 방출구 부분에서 이중확산의 영향이 강하게 나타나게 되며 이 경우에는 총 방출량도 함께 증가하였다. 아울러 밀도율이 낮은 경우 밀도율이 높은 경우에 비해서 약 $6{\times}10$배의 높은 혼합율을 보였다.
Salt wedge into the river from the sea or fresh water flume (fresh wedge) in the ocean from the sea has density current characteristics. However, when temperature and salinity simultaneously determine the density of wedges, one of salinity and temperature can distributed in the reversed profiles aga...
Salt wedge into the river from the sea or fresh water flume (fresh wedge) in the ocean from the sea has density current characteristics. However, when temperature and salinity simultaneously determine the density of wedges, one of salinity and temperature can distributed in the reversed profiles against gravity, even though the density profile is stable. In this case, the double diffusive process is critical in determining mixing rate. The present work studies relative contribution of shear driven mechanical mixing component and double diffusive layering process, when warm salty denser water is introduced into the cold fresh lighter water column. Laboratory experiment releases warm salty denser water into cold fresh lighter water controlling discharge amount to achieve the steady state of density current. When longitudinal density rate becomes 15, the released amount ratio of salt and heat changes sharply and in the releasing point, vigorous mixing occurs with increase of discharged amount due to double diffusion. Double diffusion distabilizes gravitational stability and enhances the mixing rate up to $6{\times}10$ times at the lower density ratio comparing to the higher density ratio.
Salt wedge into the river from the sea or fresh water flume (fresh wedge) in the ocean from the sea has density current characteristics. However, when temperature and salinity simultaneously determine the density of wedges, one of salinity and temperature can distributed in the reversed profiles against gravity, even though the density profile is stable. In this case, the double diffusive process is critical in determining mixing rate. The present work studies relative contribution of shear driven mechanical mixing component and double diffusive layering process, when warm salty denser water is introduced into the cold fresh lighter water column. Laboratory experiment releases warm salty denser water into cold fresh lighter water controlling discharge amount to achieve the steady state of density current. When longitudinal density rate becomes 15, the released amount ratio of salt and heat changes sharply and in the releasing point, vigorous mixing occurs with increase of discharged amount due to double diffusion. Double diffusion distabilizes gravitational stability and enhances the mixing rate up to $6{\times}10$ times at the lower density ratio comparing to the higher density ratio.
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문제 정의
본 실험에서는 이중확산 구조를 가진 밀도류의 수직 혼합과정에 대한 연구를 위해 실험실 물리 실험을 수행하였다. 온도가 낮고 염도가 없는 유체에 온도가 높고 염분이 높은 밀도류를 방출하였다.
본 실험의 목적은 온도와 염분이 동시에 밀도를 지배하는 염수침입에서 혼합과정에서의 이중확산의 영향을 평가하는 것이다. 실험실 물리실험에서 차갑고 염분이 없는 주 흐름에 온도가 높고 염분이 높은 밀도류를 방출하였다.
그러나 두 개의 물질, 즉, 온도와 염분이 동시에 밀도차이를 결정하고 두 개 중 한 개의 물질이 불안정한 수직 분포를 이룬다면, 이중확산에 의한 대류가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 따뜻하고 염분이 높은 수괴가 차갑고 염분이 낮은 수괴로 진입할 때 기계적 혼합과정과 이중확산에 따른 대류에 의한 혼합과정을 비교연구하였다.
으로써 밀도류를 정상상태 (steady state) 로유지하여서 실험 수행중 그 위치를 일정하게 유지하였다. 이 실험의 주 목적은 이중확산에 의한 혼합과 전단응력에 의한 기계적 혼합과정이 동시에 발생할 때 리차드슨 수와 밀도율이 어떻게 혼합과 밀도류의 구조를 결정하는지를 연구하는 데 있다. 염분과 온도의 입출량을 염분과 온도의 수평 분포에 의해서 계산하였다.
가설 설정
비슷한 실험으로 Sargent and Jirka(1987) 가 물리 실험을 수행하였으며 밀도 경계층은 간헐적인 내부파가 부서져 혼합되어 침입하지만, 비교적 안정한 층이 존재하는 것을 밝혔다. 그들의 실험에서 각 점성과 난류의 전단응력은 비슷한 크기로 비교적 수직 혼합에 영향이 매우 작은 것으로 가정하였다. 이러한 안정성에 대한 연구는 Scotti와 Corcos(1972)의 channel 실험을 통하여 입증되었다.
위의 두 식의 의미는 수평으로의 유출입량의차이는 경계면을 통과하는 수직 유출입량으로 나타낼 수 있다는 것이다. 여기서 수평방향으로는 염분과 온도가 일정하다고 가정하자. 만약 상층과 하층의 염분 차이가 기면,
제안 방법
사용하였다. MSCTI는 Velmex Unislide에 부착호}여 수직 이동을 조정하였고, 수조위에 이동 카트를 설치하여 수평 방향으로 이동시켰다. 장치들의 조합을 이용하여 온도, 전도도, 이를 통한 염분 및 밀도를 다양한 위치에서 측정할 수 있다.
경계층에서의 이중확산구조의 밀도류와 그 위를 흐르는 주 유체 흐름의 운동과 유출입량은 Fig. 1에서 보여주는 물리 실험을 통하여 연구하였다. 원 실험장치는 Britter와 Simpson의 1978년 장치와 유사하며 본 실험 장치는 Garcia와 Parsons(1996)의 일반 밀도류에 의한 염수침입 실험에서 사용한 것과 같은 구조를 가지고 있다.
먼저 성층화되어진 열염분의 수직구조는 Fig. 3과 같으며, 각 실험에서 수행된 수직 분포구조를 이용하여 위에서 유도된 검사 체적 방식으로 4-5개의 검사 체적으로 나누어서 계산하였다. Fig.
실험은 다음과 같은 순서로 이루어졌다. 먼저 주 저장 장치와 혼합 저장장치에 물을 채우고 실험 대상온도와 염분에 도달하도록 온수와 염화칼슘을 투입하고 혼합을 하였다. 이후 먼저 밀도류를 방류한 후 주 흐름을 방류하여 리차드슨수가 실험 목적치에 도달하도록 각 방류량을 조정하였다.
관의 최저점에서부터 확장기를 사용하여 제트에 의한 난류를 방지한다. 밀도류가 수두 유지 탱크와의 압력차에 의해 발생하는 “short circuiting”의 방지를 위해 판형 굴절기를 사용하였다.
이후 먼저 밀도류를 방류한 후 주 흐름을 방류하여 리차드슨수가 실험 목적치에 도달하도록 각 방류량을 조정하였다. 밀도류가 정상상태에 도달할 때의 각 저장장치의 온도와 염분 그리고 방류량을 기록하였다. 실험의 지속 시간은 약 20~30분으로 주 저장장치의 물이 오차 이상의 범위로 벗어나기 전까지 실험이 가능하지만, 실험의 정확도를 높이기 위해 가능한 빠른 시간내에 수행하였다.
주 저장장치(온도가 낮고 염분이 없는 주 흐름에 사용하는 물)와 혼합 저장장치(온도가 높고 동시에 염분이 높은밀도류)는 각각 40, 000 liter를 수용할 수 있으며 약 20〜30분 정도 초기 설정 조건과 유사한 수준에서 실험을 수행할 수 있다. 밀도류는 수두유지탱크(constant head tank)를 이용하여 장시간 정상 상태로 방출할 수 있도록 설계되었다. 주 수로의 물은 1.
이때 큰 비율의 벤츄리 미터를 사용하였을 때 측정 가능한 범위는 1900-13000 cmVsec 였으며 작은 직경의 벤츄리를 이용하였을 때 측정 범위는 약 800-3400 cm%ec이었다. 밀도류의 방류량은 오리피스 미터를 사용하여 측정하였다. 이때 오리피스의 반지름 비율은 약 0.
본 절에서는 온도와 염분의 경계층을 통한 유출입량을 계산하였다. 기존의 이중확산연구에서는 염분과 온도의 유출입량의 비율을 계산하기 위하여 에너지와 질량의 균형모델을 사용하였다.
실험 장치는 실험의 검증과정을 간략하기 위하여 Parsons(1998) 의 장치와 동일 하게 설계되었고 본 연구에서는 온수공급을 위한 장치를 추가하였다. 주 저장장치(온도가 낮고 염분이 없는 주 흐름에 사용하는 물)와 혼합 저장장치(온도가 높고 동시에 염분이 높은밀도류)는 각각 40, 000 liter를 수용할 수 있으며 약 20〜30분 정도 초기 설정 조건과 유사한 수준에서 실험을 수행할 수 있다.
밀도류가 정상상태에 도달할 때의 각 저장장치의 온도와 염분 그리고 방류량을 기록하였다. 실험의 지속 시간은 약 20~30분으로 주 저장장치의 물이 오차 이상의 범위로 벗어나기 전까지 실험이 가능하지만, 실험의 정확도를 높이기 위해 가능한 빠른 시간내에 수행하였다.
경계면 혼합과 침투과정을 분석하였다. 여기서 two-layer model 을 도입하였는데 , 하나는 상층의 매우 활발한 혼합 층과 다른 하나는 수동적인 하층으로 규정하였다. Arita and Jirka(1987b)는 실험을 통해 이 two layer 침입 모델에서 경계층사이의 혼합은 무시할 수 있음을 입증하였다.
밀도류의 높이는 두 수괴의 밀도차이의 중간 값이 발생하는 점으로 결정하였다(Sargent and Jirka, 1987). 열과 염분에 의한 밀도 확장 계수는 각각 상부유체와 하부 유체의 평균 온도와 염분을 기준으로 계산하였다.
이 실험의 주 목적은 이중확산에 의한 혼합과 전단응력에 의한 기계적 혼합과정이 동시에 발생할 때 리차드슨 수와 밀도율이 어떻게 혼합과 밀도류의 구조를 결정하는지를 연구하는 데 있다. 염분과 온도의 입출량을 염분과 온도의 수평 분포에 의해서 계산하였다.
대한 연구를 위해 실험실 물리 실험을 수행하였다. 온도가 낮고 염도가 없는 유체에 온도가 높고 염분이 높은 밀도류를 방출하였다. 차고 염도가 없는 유체는 밀도류와 반대 방향으로 방출하고, 방출량을 조절함.
먼저 주 저장 장치와 혼합 저장장치에 물을 채우고 실험 대상온도와 염분에 도달하도록 온수와 염화칼슘을 투입하고 혼합을 하였다. 이후 먼저 밀도류를 방류한 후 주 흐름을 방류하여 리차드슨수가 실험 목적치에 도달하도록 각 방류량을 조정하였다. 밀도류가 정상상태에 도달할 때의 각 저장장치의 온도와 염분 그리고 방류량을 기록하였다.
대상 데이터
방출된 유체는 벌집 구조를 가진 평형판(straightener)을 이용하여 큰 와류를 제거하고 수로를 통과한 물은 수위 조절을 위한 위어를 넘어서 원래의 저장탱크로 돌아 오게 된다. 실험대상부는 길이 32 m, 넓이0.3 이이며 깊이는 0.5 m 이지만, 실험에 따라서 수위는 조정되었다. 벽면은 3 cm 두께의 Plexiglas로 구성되어 열 손실을 최소화하였다.
데이터처리
MSCTI는 수직으로 약 10 cm/s 으로 이동하고 검출 속도는 100 Hz를 사용하였다. 센서에서 나온 전기적 신호는 National Instruments의 DAQ카드를 이용, 16bit 해상도로 검출하여 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 자료화하여 저장하였다. 온도와 염분의 계산은 Rehmann(1995) 의 방식을 통해 계산하였고 밀도는 Rtiddick(1985)를 바탕으로 계산 하였다.
이론/모형
기존의 이중확산연구에서는 염분과 온도의 유출입량의 비율을 계산하기 위하여 에너지와 질량의 균형모델을 사용하였다. 예를 들어 Shirtcliffe(1973)은 소금과 설탕의 총 질량이 보존되어야 함으로 유출입량은 경계면 사이의 농도의 시간 변화율과 유출입량이 비례 되어야 함을 보였다.
센서에서 나온 전기적 신호는 National Instruments의 DAQ카드를 이용, 16bit 해상도로 검출하여 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 자료화하여 저장하였다. 온도와 염분의 계산은 Rehmann(1995) 의 방식을 통해 계산하였고 밀도는 Rtiddick(1985)를 바탕으로 계산 하였다. 밀도류의 높이는 두 수괴의 밀도차이의 중간 값이 발생하는 점으로 결정하였다(Sargent and Jirka, 1987).
온도와 전기전도도는 Precision Measurements Engineering 에서 개발된 model 125 MicroScale Conductivily-lemperature Instrument (MSCTI)를 사용하였다. MSCTI는 Velmex Unislide에 부착호}여 수직 이동을 조정하였고, 수조위에 이동 카트를 설치하여 수평 방향으로 이동시켰다.
성능/효과
우리가 분류한 두개의 리차드슨 수가 특수한 경향을 보이지 않고 분포하는 반면에 이중확산이 혼합비율을 결정하는 데 매우 중요한 영향을 미침을 알 수 있다. 본 실험에서는 Turner에서의 실험과 같이 부력에 의한 유출입량은 사실상 배출구에서의 유출량과 동일하며, 정규화된 부력 유출입량은 밀도율이 감소하면 증가하는 것을 보인다(Fig. 6). 총량의 관점에서 주 실험의 결과는 밀도율이 혼합량을 결정하는 중요한 인자로서 특히 밀도율의 감소는 중력 안정성의 중요한 결정 요인이다.
이것은 이중확산에 의해서 부력 안정성이 감소하여 경계층에서의 불안정성 증가로 이어지게 되어 총 방출량도 함께 증가 하게 된다. 본 실험에서의 주 결과는 주 흐름의 방류량으로 정규화된 밀도류의 방출량이 밀도율의감소와 함께 가파르게 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히, 유출실 설정된 밀도율이 매우 낮은 경우는 강한 이중확산의 영향으로 밀도율이 높은 경우에 비해서 약 6T0배의 높은 혼합율을 보이며 이것은 이전의 연구에서 관찰된 것과 같은 방식으로 설명될 수 있다.
실험의 결과에 따르면 밀도류를 따라서 밀도율이 15정도 되면 온도와 염분의 입출량 비율이 가파르게 변화한는데, 이것은 과거 Tuner(1979)에서 수행된 다양한 연구 결과와 일치하며, 15 이항에서 강력한 이중확산의 영향이 존재하는 반면, 이 숫자가 넘을 경우는 일반적인 전단응력에 의한 영향이 더욱 크다는 점에서 기인한다. 전체적으로 방출구 부분에서 이중확산의 영향^ 강하게 나타나게 되는데 이것은 방출구 부분에서의 밀도율이 밀도류의 머리부분보다 매우 작은 점으로 설명되어질 수 있다.
후속연구
본 연구에서 관찰되었지만, 본문에서 논의되지 않은 다양한 형태의 혼합층의 형태를 설명하는 실험이 필요할 것 이며, 이것은 해양 관측에서 계단식 수직 분포를 설명하는 또 다른 형태의 현상이 될 수 있다. 또한, 본 실험에서의 유출입량 분석은 총량개념에서 접근함으로써 경계면을 통과하는 실질적인 열과 염분의 혼합을 재현할 수 있는 실험이 향후 필요할 것이다.
같이 재현하는 연구가 필요하다. 본 연구에서 관찰되었지만, 본문에서 논의되지 않은 다양한 형태의 혼합층의 형태를 설명하는 실험이 필요할 것 이며, 이것은 해양 관측에서 계단식 수직 분포를 설명하는 또 다른 형태의 현상이 될 수 있다. 또한, 본 실험에서의 유출입량 분석은 총량개념에서 접근함으로써 경계면을 통과하는 실질적인 열과 염분의 혼합을 재현할 수 있는 실험이 향후 필요할 것이다.
향후에는 염분과 온도의 상대적 유출입량의 비율을 Linden(1974)의 실험에서와 같이 재현하는 연구가 필요하다. 본 연구에서 관찰되었지만, 본문에서 논의되지 않은 다양한 형태의 혼합층의 형태를 설명하는 실험이 필요할 것 이며, 이것은 해양 관측에서 계단식 수직 분포를 설명하는 또 다른 형태의 현상이 될 수 있다.
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