[국내논문]회전하는 수조에서 나타나는 순압성 소용돌이의 패턴과 트라이폴라 소용돌이의 구조적 회전 Patterns of Barotropic Vortex in a Rotating Fluid and the Structural Rotation of Tripolar Vortex원문보기
회전하는 수조에서 나타나는 순압성 소용돌이의 패턴과 구조 회전에 대한 연구를 수행하였다. 소용돌이는 수면 위에 접촉된 원판을 수조에 대해 상대적으로 회전시키는 방법을 통해 만들어졌다. 회전원판의 크기, 회전방향, 회전속력에 따라 트라이폴라 소용돌이, 삼각형 소용돌이, 사각형 소용돌이, 커다란 원형 소용돌이가 안정하게 나타났고, 모양이 계속 변하는 불안정한 소용돌이도 나타났다. 회전원판과 수조 벽 사이의 간격이 안정한 소용돌이의 패턴에 큰 영향을 주었고 불안정한 소용돌이는 원판이 시계방향으로 빠르게 회전할 때 주로 나타났는데, 그 원인은 원심력적 불안정성이었다. 한편, 트라이폴라 소용돌이에서 나타난 전체 패턴의 구조적 회전 각속도는 원판 가장자리의 선속도에 비례하였고, 고기압성 트라이폴라 소용돌이가 저기압성 보다 더 큰 구조 회전 각속도를 가졌다. 로스비 수와 구조회전의 관점에서 볼 때, 해양에서 발견된 트라이폴라 소용돌이와 본 실험에서 나타난 트라이폴라 소용돌이는 유사하였다.
회전하는 수조에서 나타나는 순압성 소용돌이의 패턴과 구조 회전에 대한 연구를 수행하였다. 소용돌이는 수면 위에 접촉된 원판을 수조에 대해 상대적으로 회전시키는 방법을 통해 만들어졌다. 회전원판의 크기, 회전방향, 회전속력에 따라 트라이폴라 소용돌이, 삼각형 소용돌이, 사각형 소용돌이, 커다란 원형 소용돌이가 안정하게 나타났고, 모양이 계속 변하는 불안정한 소용돌이도 나타났다. 회전원판과 수조 벽 사이의 간격이 안정한 소용돌이의 패턴에 큰 영향을 주었고 불안정한 소용돌이는 원판이 시계방향으로 빠르게 회전할 때 주로 나타났는데, 그 원인은 원심력적 불안정성이었다. 한편, 트라이폴라 소용돌이에서 나타난 전체 패턴의 구조적 회전 각속도는 원판 가장자리의 선속도에 비례하였고, 고기압성 트라이폴라 소용돌이가 저기압성 보다 더 큰 구조 회전 각속도를 가졌다. 로스비 수와 구조회전의 관점에서 볼 때, 해양에서 발견된 트라이폴라 소용돌이와 본 실험에서 나타난 트라이폴라 소용돌이는 유사하였다.
In this study, the patterns of barotropic vortices and their structural rotation were investigated through laboratory experiments. Both stable and unstable barotropic vortices were formed in a rotating water tank with a rotating circular plate depending on the diameter, direction, and speed of rotat...
In this study, the patterns of barotropic vortices and their structural rotation were investigated through laboratory experiments. Both stable and unstable barotropic vortices were formed in a rotating water tank with a rotating circular plate depending on the diameter, direction, and speed of rotating circular plate. The patterns of stable vortices turned out to be tripolar, triangular, rectangular, and monopolar vortex. These vortex patterns were affected by the gap between the circular plate and the wall of the water tank. Many unstable vortices were formed by anticyclonically and highly rotating circular plate. These results were caused by the centrifugal instability. The structural angular velocity of the tripolar vortex increased with the tangential velocity of the circular plate. The anticyclonic tripolar vortex had higher structural angular velocity than the cyclonic vortex. The tripolar vortex in the water tank was very similar with the real oceanic tripolar vortex from the view point of the Rossby number and the structural rotation.
In this study, the patterns of barotropic vortices and their structural rotation were investigated through laboratory experiments. Both stable and unstable barotropic vortices were formed in a rotating water tank with a rotating circular plate depending on the diameter, direction, and speed of rotating circular plate. The patterns of stable vortices turned out to be tripolar, triangular, rectangular, and monopolar vortex. These vortex patterns were affected by the gap between the circular plate and the wall of the water tank. Many unstable vortices were formed by anticyclonically and highly rotating circular plate. These results were caused by the centrifugal instability. The structural angular velocity of the tripolar vortex increased with the tangential velocity of the circular plate. The anticyclonic tripolar vortex had higher structural angular velocity than the cyclonic vortex. The tripolar vortex in the water tank was very similar with the real oceanic tripolar vortex from the view point of the Rossby number and the structural rotation.
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문제 정의
본 논문에서는 수면과 접촉시킨 원판이 회전할 때 나타나는 다양한 순압성 소용돌이의 패턴에 영향을 주는 요인, tripolar vortex의 구조회전과 원판 회전 사이의 관계, 해양에서 발견된 tripolar vortex와 실험에서 만들어진 소용돌이의 유사성을 알아보고자 한다.
또한 고기압성에서 나타나는 기울기가 저기압성의 그것보다 약간 큰데, 이것은 고기압성 회전과 저기압성 회전에 의해 생기는 tripolar vortex의 성질이 서로 다름을 암시한다. 마지막으로 Pingree and Cann(1992)가 해양에서 발견한 고기압성 tripolar vortex와 수조에서 만들어진 소용돌이를 비교해보고자 한다. 이들의 자료에 의하면 이 소용돌이의 로스비수는 0.
제안 방법
예를 들어, Heijst and Clercx(2009)의 논문에는 다공성 튜브로 수조 중심부의 물을 빨아들이는 방법, 밑이 뚫린 실린더를 수조에 집어넣고 실린더 속의 물을 휘저은 다음 이를 들어 올리는 방법, 밑이 뚫린 실린더를 이용해 내부와 외부의 물의 높이차를 만들고 실린더를 들어올리는 방법, 긴 직사각형 모양의 판을 수조 중심에 집어넣어 회전시키는 방법 등이 언급되어 있다. 본 연구에서는 이와 달리 수면에 접촉시킨 다양한 크기의 원판을 회전시키는 방법이 사용되었다. Niino and Misawa(1984)가 소용돌이를 만들었던 방법과 본 연구의 방법이 유사하나 이들은 수조 바닥에서 원판을 회전시켰고, 그 회전속도가 매우 느리며 원판의 크기가 일정했다는 것이 다르다.
수조의 수면에 접촉시킨 원판은 소형 모터에 연결되어 있어 반시계방향(ω >0) 또는 시계방향(ω <0)으로 최대 15 rpm의 속도로 회전할 수 있다. 소용돌이를 만들기 위해 우선 안쪽지름(D)이 39 cm인 수조 안에 물을 H =18 cm 가량의 높이로 채운 후 원판을 물에 겨우 잠기도록 설치했다. 원판은 지름(d)이 10, 15, 20, 25, 30, 35 cm인 것을 사용하였고 시계방향 또는 반시계방향으로 2에서 15 rpm의 속도로 회전시켰다.
원판은 지름(d)이 10, 15, 20, 25, 30, 35 cm인 것을 사용하였고 시계방향 또는 반시계방향으로 2에서 15 rpm의 속도로 회전시켰다. 수조와 원판을 약 20분간 회전시켜 물의 흐름을 안정화시킨 후, 색소를 골고루 넣어 소용돌이 모양을 가시화하여 수조 위에서 같이 회전하는 비디오카메라로 소용돌이를 촬영했다.
이러한 이유는 실험방법의 차이에 의한 것으로 추정된다. 이들은 앞에서 언급한 다양한 방식으로 거리에 따른 특정 속도분포를 만들고 여기서 만들어진 소용돌이를 그대로 놓아두면서 소용돌이를 관찰했다. 이러한 방식으로 만들어진 소용돌이는 거리에 따른 속도의 분포가 그대로 유지되지 못하고 빠르게 회전력이 감소한다.
대상 데이터
소용돌이를 만들기 위해 우선 안쪽지름(D)이 39 cm인 수조 안에 물을 H =18 cm 가량의 높이로 채운 후 원판을 물에 겨우 잠기도록 설치했다. 원판은 지름(d)이 10, 15, 20, 25, 30, 35 cm인 것을 사용하였고 시계방향 또는 반시계방향으로 2에서 15 rpm의 속도로 회전시켰다. 수조와 원판을 약 20분간 회전시켜 물의 흐름을 안정화시킨 후, 색소를 골고루 넣어 소용돌이 모양을 가시화하여 수조 위에서 같이 회전하는 비디오카메라로 소용돌이를 촬영했다.
성능/효과
본 연구에서 나타난 안정한 소용돌이에서 d /D가커질수록 즉, 원판과 수조 벽 사이의 공간이 좁아질수록 전체 소용돌이의 개수가 증가하는 경향이 있다. 이것은 서론에서 언급했듯이 초기 원형의 소용돌이의 거리에 따른 속도분포에서 νmax인 지점과 속도가 0으로 수렴하는 곳 사이의 간격이 좁을수록 전체 소용돌이의 개수가 증가한다는 Flierl(1988)의 결과와 잘 일치한다.
본 연구에서 가장 많이 관찰된 tripolar vortex의구조회전 주기는 원판 가장자리의 선속도에 비례하고 같은 선속도에서 고기압성 tripolar vortex가 저기압성 보다 더 빠르게 회전한다. 만일 tripolar vortex의 형태와 관계된 A/a2의 값이 저기압성과 고기압성에서 차이가 없다고 가정하면, 같은 원동력을 주었을 때 고기압성 구조적 회전이 저기압성 구조적 회전보다 그 속도가 빠르다는 것을 의미한다.
18, 구조회전주기는 71초, 배경회전주기는 6초이다. 본 실험의 tripolar vortex와 Pingree and Cann(1992)이 발견한 tripolar vortex의 구조회전주기와 배경회전주기의 비는 11.8과 12.7로 유사하여 두 소용돌이가 역학적으로 매우 유사하다는 것을 알 수 있다.
후속연구
이러한 방식으로 만들어진 소용돌이는 거리에 따른 속도의 분포가 그대로 유지되지 못하고 빠르게 회전력이 감소한다. 하지만 본 연구에서는 계속적으로 원판을 회전시키기 때문에 triangular와 rectangular vortex가 계속 유지될수 있는 회전력이 제공된다고 판단할 수 있다.
, 2012). 본 연구가 회전원판에 의해 생기는 소용 돌이에 중점을 두고 진행되었으나, 수조의 바닥이나 원판 접촉면에 의한 마찰력으로 인해 생기는 2차 순환도 관찰할 수 있는 것을 생각할 때, 에크만 펌핑을 재현하는 실험으로도 충분히 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조적 회전의 각속도는 어떠한 인자와 관련되어 있는가?
, 1991; Beckers and Heijst, 1998). 이 때, 이 구조적 회전의 각속도는 중앙 소용돌이와 외각 소용돌이 사이의 거리와 각 소용돌이의 순환(circulation)과 관련되는 것으로 알려져 있다. 한편, 해양에서도 고기압성 tripolar vortex가 발견되었는데(Pingree and Cann, 1992) 그 크기가 약 100 km 정도로 수 일간 지속되다가 사라졌으며, 이것 또한 구조적 회전을 하고 있었다.
Tripolar, triangular, rectangular vortex는 어떠한 소용돌이로 구성되어 있는가?
Tripolar, triangular, rectangular vortex는 모두 중앙의 큰 소용돌이와 외각의 작은 소용돌이로 구성되어 있다. 중앙의 소용돌이와 외각의 소용돌이는 회전방향이 반대이며 이들은 모두 전체적으로 각 소용돌이의 회전속도보다는 느리게 구조적 회전을 하며 그 방향은 중앙의 소용돌이 회전방향과 같다(Heijst and Kloosterziel, 1989; Heijst et al.
안정한 소용돌이의 d /D가 커질수록, 전체 소용돌이의 개수가 증가하는 경향은 어떠한 연구 결과와 일치하는가?
본 연구에서 나타난 안정한 소용돌이에서 d /D가커질수록 즉, 원판과 수조 벽 사이의 공간이 좁아질수록 전체 소용돌이의 개수가 증가하는 경향이 있다. 이것은 서론에서 언급했듯이 초기 원형의 소용돌이의 거리에 따른 속도분포에서 νmax인 지점과 속도가 0으로 수렴하는 곳 사이의 간격이 좁을수록 전체 소용돌이의 개수가 증가한다는 Flierl(1988)의 결과와 잘 일치한다.
참고문헌 (17)
Beckers, M. and Heijst, G.J.F. van, 1998, The observation of a triangular vortex in a rotating fluid, Fluid dynamics research, 22, 265-279.
Heijst, G.J.F. van, Kloosterziel, R.C., and Williams, C.W.M., 1991, Laboratory experiments on the tripolar vortex in a rotating fluid, Journal of fluid mechanics, 225, 302-331.
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Kloosterziel, R.C. and Heijst, G.J.F. van, 1991, An experimental study of unstable barotropic vortices in a rotating fluid, Journal of fluid mechanics, 223, 1-24.
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