[논문]지반내 자연대류에 대한 수치해석적 논의

신호성

doi:10.7843/kgs.2017.33.2.35

지반내 자연대류에 대한 수치해석적 논의
Numerical Discussion on Natural Convection in Soils 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.33 no.2, 2017년, pp.35 - 47

초록
AI-Helper

지반의 열적 거동은 대부분 열전도에 국한되어 연구가 진행되었으며, 자연대류 현상에 대한 연구는 매우 미비한 실정이다. 지반의 온도증가는 간극수의 밀도변화에 따른 부력을 유발하여 자연대류를 발생시키게 된다. 유체역학 관점에서 다공질 재료내의 자연대류 해석의 제약조건에 대하여 논의하고, 거시적 관점에서 완전 결합된 열-수리-역학적인 지배방정식을 이용한 대류현상에 대한 수치해석 기법을 제시하였다. 실내 열전도도 측정을 위한 탐침기 실험에 대한 수치실험은 자연대류를 무시하고 평가된 열전도도의 불확실성에 대하여 논의하고, 모델식과의 오류를 최소화하기 위한 적정한 실험조건을 제시하였다. 해저 전력선의 매설은 해저면 0.2m 깊이에서의 온도상승을 $2^{\circ}C$로 제한하고 있으나, 투수성이 큰 지반재료에 대한 수치해석결과는 기준온도를 초과하는 것으로 나타났다. 해저면의 온도와 열-수리-역학적 물성은 전력선의 매설설계에 중요한 설계인자이며 자연대류의 영향을 고려하여야 한다. 특히, 큰 투수성을 갖는 지반내에 열원이 존재하는 경우, 간극수의 밀도변화에 따른 자연대류가 중요한 열전달의 인자가 되므로 이를 고려한 해석을 수행하여야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal behavior of soils is mainly focused on thermal conduction, and the study of natural convection is very limited. Increase of soil temperature causes natural convection due to buoyancy from density change of pore water. The limitations of the analysis using fluid dynamics for natural convection in the porous media is discussed and a new numerical analysis is presented for natural convection in porous media using THM governing equations fully coupled in the macroscopic view. Numerical experiments for thermal probe show increase in the uncertainty of thermal conductivity estimated without considering natural convection, and suggest appropriate experimental procedures to minimize errors between analytical model and numerical results. Burial of submarine power cable should not exceed the temperature changes of $2^{\circ}C$ at the depth of 0.2 m under the seabed, but numerical analysis for high permeable ground exceeds this criterion. Temperature and THM properties of the seafloor are important design factors for the burial of power cable, and in this case effects of natural convection should be considered. Especially, in the presence of heat sources in soils with high permeability, natural convection due to the variation of density of pore water should be considered as an important heat transfer mechanism.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대류란 ?	일반적으로 대류는 유체의 움직임에 의하여 열이 이동하는 현상을 지칭하며, 유체의 열확산(molecular thermal diffusion)과 유체의 이동에 의한 열전달인 이류(advection)를 함께 포함하게 된다. 하지만, 열확산이 흙입자와 유체에 의하여 동시에 이루어지는 지반에 대한 열해석에서는 열의 이동이 전도(conduction, thermal diffusion), 대류(convection), 복사(radiation)에 의하여 이루어지는 것으로 구분한다.
	지반구조물의 열해석을 차지한것은 ?	지반구조물의 열해석은 동토지역과 같은 기후조건이나 기후변화에 의한 지반거동 특성에 대한 연구가 대부분을 차지하였다. 하지만, 최근에 지반 내부에 인위적인 열원을 설치하거나 지반내 열적 불균형을 해소하기 위한 연구가 활발히 진행되면서, 열이 수리-역학과 연계된 현상들에 대한 중요성이 강조되고 있다.

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