수온성층흐름에서 바람에 의해 발생하는 순환의 수치모의

Abstract

The closed water bodies, such as reservoirs and lakes, are polluted by an inflow of pollutants in the upstream as well as a stratification caused by seasonal natural phenomena. The vertical circulation particularly plays an important role to reduce environmental pollutants. The factors of the vertical circulation are the temperature, wind, thermal diffusivity, sunlight and so on. The wind is the most significant factor among all possible factors causing the vertical circulation. Thus, it is necessary to describe the validation and application of a three-dimensional numerical model of wind-induced circulation in a thermally stratified flow. In this study, the numerical model is conducted in three steps to calculate the velocity components from the momentum equations in x-and y-directions, the elevations from the free surface equation and the temperature from the scalar transport equation. The present model was applied to two tests for verification of the numerical accuracy. Firstly, numerical results are compared with analytical solutions of the sloshing free surface movement in a rectangular basin. The present results generally show a good agreement with analytical solutions. Secondly, in order to verify the scalar transport equation, the equation of state and the baroclinic terms, the present model is conducted to compare the previous model in the lock exchange. The present model is greatly consistent with the previous one. Lastly, the model is applied to the circulation for the wind induced flow in a thermally stratification. Consequently, the developed model is validated by two verifications and phenomena of the internal flow.; 저수지와 같은 갇혀진 수체는 상류에서 유입되는 오염물질 뿐만 아 니라 계절적인 자연현상에 의해 생기는 성층현상에 의해서도 오염될 수 있다. 갇혀진 수체에서의 연직순환은 이러한 오염을 줄이는데 중요 한 역할을 하는데, 연직순환을 일으키는 인자로는 빛의 입사, 바람, 물 의 온도 및 열의 확산 등이 있으며, 그중에서도 가장 중요한 것은 바람 의 영향이다. 그러므로 성층화된 흐름에서 바람에 의해 발생하는 연직 순환에 대한 3차원 수치모형을 개발하고 적용하는 것이 필요하다. 본 연구에서의 수치모형은 3단계로 수행하였다. 첫 번째는 x-축과 y-축 방향에서의 운동량방정식으로부터 유속성분을 계산하고, 두 번 째는 자유수면 방정식으로부터 자유수면 변위를 계산한다. 마지막으로 스칼라 이송방정식으로부터 온도의 변화를 계산한다. 본 모형의 정확도를 검증하기 위해서 두 가지 경우의 문제에 적용 하였다. 첫째, 본 모형은 정사각형수조에서 진동하는 자유수면의 해석 해와 비교하였고, 둘째, 스칼라 이송방정식, 상태방정식 및 경압 항을 증명하기 위해서 수치모형을 갑문에서 모의된 기존의 모형과 비교하 였다. 수치모형의 결과는 해석해 및 기존의 모형과 전반적으로 일치하 였다. 마지막으로 본 모형은 온도에 의한 성층화된 흐름에서 바람에 의 해 발생하는 연직순환에 대해서 수치모의하였다. 그 결과, 본 연구에서 개발된 수치모형이 유효하고 내부의 흐름 현상을 잘 묘사해 주고 있음 을 알 수 있다.