[논문]점착성 유사의 이동 모의에 관한 연구 동향

손민우

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손민우 (인하대학교)

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그림 2에서 실선은 응집현상이 고려된 모형의 결과, 점선은 응집현상이 고려되지 않고, 고정적인 크기와 밀도를 가지는 유사를 가정하여 수행된 모의결과이다. 고정적인 크기와 밀도를 이용한 경우, 점착성 유사의 특성을 나타내기 위해 아주 가늘고(D=0.09 mm) 가벼운(P^(rho)=1,300 kg/m³) 유사가 가정되었다. 두 경우 모두에 가변적인 한계소류력이 이용되었다.

성능/효과

(2001)은 Ems/Dollard 하구부에서 유사의 농도 및 난류 특성에 관한 측정을 실시하였다. 측정결과 Ems/Dollard 하구부는 하상으로부터 0.3 m와 0.7 m 떨어진 지점에서의 농도 차이가 크지 않으며 유속이 거의 없는 조건에서도 부유된 유사가 지속적으로 존재하는 특성을 나타내었다. 이러한 점은 비점착성 유사가 일반적으로 나타내는 Rouse 분포 등의 특성과 큰 차이점을 나타내는 것으로 고려된다.
그림 2의 결과를 비교하면 Ems/Dollard 하구부가 가지는 특성들이 응집현상을 고려한 모형에 의해 보다 잘 계산되는 사실이 확인된다. 특히 0.7 m에서의 결과에서 응집현상이 고려되지 않은 모형은 Ems/Dollard 하구부에서 나타나는 유사의 충분한 부유를 모사하지 못하며 유속이 약해지는 8시에서 10시, 20시에서 22시 사이의 구간에서 유사가 부유하지 않는 것으로 계산하였다.
Mehta(1988)는 실험실 실험을 통해 점착성 유사의 침강속도와 유사농도 사이의 상관관계를 연구하였다. 이를 통하여 유사의 농도가 낮은 구간에서는 침강속도와 유사농도의 상관관계가 발견되지 않고(Free Settling Regime) 유사의 농도가 O{10^-1} g/l에서 O{10⁰} g/l인 구간에서는 침강속도와 유사 농도의 관계가 로그-로그 좌표계에서 4/3의 기울기를 나타내며 비례한다는 사실(Flocculation Regime)을 발견하였다. 그림 3은 Ems/Dollard 하구부에 적용한 1DV 모형이 계산한 점착성 유사의 침강속도와 유사농도와의 관계를 도시한 것이다.
그림 4를 통해 비점착성 유사(점선)의 경우는 기존에 비점착성 유사를 위해 제안된 Energetics-Based 모형과 유사한 결과를 보이는 것에 비해 점착성 유사(실선)는 비대칭도의 영향을 덜 받는 사실이 나타났다. 이를 통해 점착성 유사가 지배적인 환경에서 기존에 개발된 비점착성 유사에 적합한 모형을 적용할 경우 유사량을 과대산정할 가능성이 있음을 제시하였다. 이외에도 Son and Hsu(2010)의 연구를 통해 조류의 왜곡도와 같은 방향으로 유사량의 방향이 결정된다는 사실과 밀물이 급하게 들어오는 조건에서는 조류 최대속도의 약 10 %에 해당하는 하천흐름이 발생하는 경우에 유사량이 균형을 이룬다는 결과가 도출되었다.
이 기사에서는 점착성 유사의 이동에 대한 수치 해석적 연구의 동향 및 최신 결과가 소개되었다. 이들 결과를 통해 점착성 유사는 비점착성 유사와 다른 특성을 가지고 있으며 비점착성 유사에 적합한 모형으로 점착성 유사가 우세한 지역에서의 유사이동을 모의할 경우 실제와 다른 결과를 계산할 수 있다는 점을 알 수 있다. 점착성 유사에 대한 현재까지의 연구성과가 국제적으로도 기대 및 필요성에 비해 미진한 면이 많다는 사실을 고려할 때 수공학 분야에서 개척해야 할 분야 중 하나로 판단된다.

후속연구

앞 장에서 살펴본 것과 같이 점착성 유사의 이동을 모의하기 위해서는 응집현상을 통한 점착성 유사의 덩어리, 즉 플럭의 밀도 및 크기의 지속적인 변화를 계산하고 이에 따른 침강속도의 변화를 예측하는 과정이 필요하다. 응집현상은 흐름의 난류 강도에 의해 큰 영향을 받는다는 사실이 많은 연구에 의해 밝혀졌다(예: O’Melia, 1980; McCave, 1984; van Leussen, 1994, Stolzenbach and Elimelich, 1994).
점착성 유사에 대한 현재까지의 연구성과가 국제적으로도 기대 및 필요성에 비해 미진한 면이 많다는 사실을 고려할 때 수공학 분야에서 개척해야 할 분야 중 하나로 판단된다. 특히 대하천 대부분의 하류지역, 대형호소, 서해연안 지역에서 점착성 유사가 지배적인 환경이 존재하는 국내의 자연환경 및 도시하천에 존재하는 유기물의 이동 역시 점착성 유사에 대한 접근법과 동일한 방향으로 연구가 진행되어야 한다는 점 등을 생각할 때 국내에서의 연구필요성은 더욱 높아질 것이다. 지면의 제한으로 모형과 연구결과에 대한 간략한 설명만 제시되었다는 사실을 밝히며, 보다 많은 내용은 본문에서 인용된 문헌들을 참고할 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

PBE 모형의 장점은?

(1) 응집현상의 메커니즘으로 고려될 수 있는 모든 항의 포함 가능 (2) 플럭의 입경분포를 계산할 수 있어 다양한 크기의 플럭이 가지는 상호간의 영향 고려 가능 (3) 추계학적 방법론의 도입을 통해 응집현상이 가지는 무작위성 고려 가능

점착성 유사는 국내 수자원 분야에서 흔히 무엇으로 불리는가?

국내 수자원 분야에서 흔히 진흙(Mud)이라 불리는 점착성 유사는 점토나 실트 등의 광물질 뿐 아니라 유기물, 물 등의 많은 기타 물질이 혼합되어 이루어진 유사이다. 점착성 유사는 모래나 자갈과 같은 비점착성 유사에 비해 전자기적 점착력에 의한 독특한 특성을 가진다.

점착성 유사는 어떻게 이루어진 유사인가?

국내 수자원 분야에서 흔히 진흙(Mud)이라 불리는 점착성 유사는 점토나 실트 등의 광물질 뿐 아니라 유기물, 물 등의 많은 기타 물질이 혼합되어 이루어진 유사이다. 점착성 유사는 모래나 자갈과 같은 비점착성 유사에 비해 전자기적 점착력에 의한 독특한 특성을 가진다.

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