[논문]대기경계층에서 미세 섬유 확산 모델링

김석철; 황준식; 이상길

[국내논문] 대기경계층에서 미세 섬유 확산 모델링
Dispersion Modeling of Fine Carbon Fibers in Atmospheric Boundary Layer 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.11 no.3 = no.34, 2008년, pp.169 - 175

김석철 (볼트환경) , 황준식 (국방과학연구소) , 이상길 (육군사관학교)

Abstract ▼ AI-Helper

A fine carbon fibers dispersion model is implemented to calculate the scattering range and ground level concentration of carbon fibers emitted at certain altitudes of atmospheric boundary layer. This carbon fibers dispersion model was composed by coupling a commonly used atmospheric dispersion model and an atmospheric boundary layer model. The atmospheric boundary layer model, applying the Monin-Obukov Similarity Rule obtained from measurement input data at ground level, was used to create the atmospheric boundary layer structure. In the atmospheric dispersion model, the Lagrangian Particle Model and the Markov Process were applied to calculate the trajectory of scattered carbon fibers relative to gravity and aerodynamic force, as well as carbon fibers specification.

주제어

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문제 정의

공기 중에 전도성 물질의 양이 일정 수준 이상에 도달하면, 비행장 주변의 시설 내부에 위치한 전자장비에서 단락 등에 따른 기능장애가 발생할 수가 있다. 본 연구에서는 지상고도 수 km 이내에서 미세섬유가 방출되었을 때, 미세섬유의 지상농도와 착지범위를 계산할 수 있는 미세섬유 확산모델을 구현하였다. 바람의 의한 미세섬유가 횡방향 이동함과 동시에 중력에 의해서 연직방향으로 낙하하고, 지속적인 방출이 아니라 순간방출에 따른 농도변화를 계산한다는 점에서 본 연구는 전술한 연구와는 차이가 있다.

제안 방법

대기경계층모델에 의해서 기류에 대한 정보가 주어졌을 때, 전술한 미세섬유 입자모형에 대한 공기력 함수를 이용하여 미세섬유의 움직임을 계산할 수 있다. 대기경계층 내에서 미세섬유입자의 움직임 곧 난류확산운동은 라그랑지안 입자 모델의 일반적인 절차에 따라 다음과 같이 평균과 난류변동으로 구분하여 모델링한다.
미세섬유 확산모델은 대기확산모델과 대기경계층모델을 연계하여 구성하였다. 미세섬유 확산은 원통형 입자의 낙하 확산과정을 모델링 하였으며 기상조건이 불안정한 경우와 안정한 경우로 구분하여 사례연구를 실시하였다.
미세섬유 확산모델은 대기확산모델과 대기경계층모델을 연계하여 구성하였다. 미세섬유 확산은 원통형 입자의 낙하 확산과정을 모델링 하였으며 기상조건이 불안정한 경우와 안정한 경우로 구분하여 사례연구를 실시하였다. 확산형태에서 길이에 따른 차이는 현저하게 나타나지 않았으나 기상조건이 미치는 영향은 지대한 것으로 나타났다.
나머지 인자, 곧 Monin-Obukhov 길이와 마찰속도는 직접 관측되는 물리량이 아니지만, 대신 풍속, 기온, 복사열과 현열유속 등의 일반적인 기상관측인자로부터 계산할 수 있다. 본 연구에서 대기 경계층 모델은 풍향, 풍속, 기온, 복사열, 현열유속 등의 통상적으로 관측되는 기상요소를 입력인자로 사용하여 Monin-Obukov 상사이론에 의거하여 대기경계층 내 임의의 고도에서 기류조건, 곧 평균풍속과 난류량을 계산할 수 있는 일련의 절차로써 구성하였다.
바람의 의한 미세섬유가 횡방향 이동함과 동시에 중력에 의해서 연직방향으로 낙하하고, 지속적인 방출이 아니라 순간방출에 따른 농도변화를 계산한다는 점에서 본 연구는 전술한 연구와는 차이가 있다. 본 연구에서 미세섬유 확산모델은 두 개의 부차모델(sub-model), 곧 대기경계층모델과 대기확산모델을 연계하여 구성하였다. 대기경계층모델 및 대기확산모델에 대한 설명은 다음과 같다.
원통형태의 미세섬유의 직경은 7μm로 설정하였다. 섬유의 길이(L)에 따른 차이를 보기 위하여 L=2mm인 경우와 L=6mm인 경우를 각각 살펴보았다.
전술한 섬유확산모델을 사용하여 미세섬유, 곧 원통형 입자의 낙하 확산과정을 모델링하였다. 사례 연구를 위하여 표 2와 같이 2가지 상이한 기상조건을 설정하였다.

이론/모형

원통관의 항력과 양력에 대해서 정확한 해석 해는 알려져 있지 않다. slender body theory에 근거한 몇 가지 근사해가 제시되어 있는데, 본 연구에서는 Cox가 제시한 식을 사용하였다^[4]. Cox의 근사식은 다음과 같다.
미세섬유입자의 비산궤적에 대한 계산은 라그랑지안 입자모델을 적용하였다. 대기경계층모델에 의해서 기류에 대한 정보가 주어졌을 때, 전술한 미세섬유 입자모형에 대한 공기력 함수를 이용하여 미세섬유의 움직임을 계산할 수 있다.

성능/효과

지상누적농도의 분포형태는 기상조건에 따라 다르며 기상조건이 같은 경우에 지상누적 농도의 분포형태는 섬유의 길이에 상관없이 유사하다. 그러나 기상조건과 관계없이, 섬유의 길이가 길 경우가 짧은 경우에 비하여 지상누적농도 최대위치가 초기 방출위치에 근접해지는 경향이 뚜렷함을 보여주었다.
미세섬유 확산은 원통형 입자의 낙하 확산과정을 모델링 하였으며 기상조건이 불안정한 경우와 안정한 경우로 구분하여 사례연구를 실시하였다. 확산형태에서 길이에 따른 차이는 현저하게 나타나지 않았으나 기상조건이 미치는 영향은 지대한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	특성이 균질한 지표면 상부에 형성되는 대기경계층에 대해서는 어떤 법칙이 성립하는가?	특성이 균질한 지표면 상부에 형성되는 대기경계층에 대해서는 보편적인 상사법칙, 곧 Monin-Obukov 상사법칙이 성립하는 것으로 알려져 있다[3]. 이 경우 수평방향으로 균질한 대기경계층에서 평균풍속과 난류는 연직좌표만의 함수로 표시된다.
	길이가 짧은 미세섬유는 비산 시 어떤 형태를 띤다고 생각할 수 있는가?	길이가 짧은 미세섬유는 비산시에 공기력에 따른 형태변화가 작아서 원통형 강체 입자에 가깝다. 미세 섬유입자를 그림 1에 표시한 원통형태의 입자라고 간주할 때, 직경(D)과 길이(L)로써 기하학적 형상을 표시할 수 있다.
	대기경계층 임의의 고도에서 기류조건은 어떤 인자가 주어졌을 때 Monin-obukov 상사이론에 의해서 추정 가능한가?	이 경우 수평방향으로 균질한 대기경계층에서 평균풍속과 난류는 연직좌표만의 함수로 표시된다. 이 연직분포 함수는 ▲ 지면거칠기(z0, surface roughness length), ▲ 대기혼합고(zi), ▲ Monin-Obukhov 길이(L), 그리고 ▲ 마찰속도(u)의 인자*만으로 표시될 수 있다.

참고문헌 (8)

Pocinki, L. S, L. D. Kaplan, M. E. Cornell and R. Greenstrone, 'Advanced Risk Assessment of the Effects of Graphite Fibers on Electronic and Electric Equipment : Final Phase I Report', NASA Contract Report 159027, 1979
Pride, R. A., A. D. McHatton and K. A. Musselman, 'Electronic Equipment Vulnerability to Fire-Released Carbon Fibers', NASA Technical Memorandum 80219, 1980
Wyngaard, J. C. 'Structure of PBL, in Lectures on Air Pollution Modeling', A. Venkatram and J. C. Wyngaard Eds, American Meteorological Society, Boston, MA, p. 402, 1988
Cox, R. G., 'Journal of Fluid Mechanics', Vol. 44, p. 791, 1970

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Wilson, J. D and B. L. Sawford, 'Review of Lagrangian Stochastic Models for Trajectories in the Turbulent Atmosphere', Boundary Layer Meteorology 78, pp. 191-210, 1996

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Edson, J. B. and C. W. Fairall, 'Spray Droplet Modeling 1. Lagrangian Model Simulation of the Turbulent Transport of Evaporating Droplets', Journal of Geophysical Research Vol. 99, No. C12, pp. 25295-25311, 1994

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Raupach, M. R. and B. J. Legg, 'Turbulent Dispersion from an Elevated Line Source : Measurements of Wind-Concentration Moments and Budgets', Journal of Fluid Mechanics 136, pp. 111-137, 1983

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김석철, '이상적인 중립 대기경계층에서 라그랑지안 단일입자 모델의 평가', 한국대기환경학회지 제19권 제4호 No. 8, pp. 397-414, 2003

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