와류

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1. 개요

와류는 유체역학에서 유체의 격렬한 소용돌이 운동을 의미하며, 난류 흐름의 특징 중 하나이다. 레이놀즈 수를 통해 와류 발생 여부를 예측하며, 내연 기관에서 연료와 공기의 혼합을 촉진하는 데 활용된다. 대기 중에서는 맑은 날 난기류, 구름 속 난기류, 산악파에 의한 난기류로 분류되며, 해양에서는 중간 규모 와류가 열과 염분을 수송하는 역할을 한다. 난기류는 항공기 운항에 영향을 미쳐 사고를 유발할 수 있으며, 해양 생태계에서 플랑크톤 이동 및 오염 물질 확산에 관여한다. 또한, 전산 유체 역학(CFD)을 통해 난기류를 모델링하고 예측하며, 환경 관리 및 산업 공정에도 활용된다.

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와류

2. 난기류의 정의 및 특징

유체역학 및 수송 현상에서 난류는 유체 자체의 성질이 아니라, 난류 흐름의 위치와 방향에 의해 발생하는 격렬한 소용돌이 운동이다.^[4] 1883년, 과학자 오스본 레이놀즈는 물과 염료를 이용한 유체 역학 실험을 통해 유체 속도를 조절하면서 층류에서 난류로 전환되는 현상을 관찰했다. 이때 와류와 소용돌이가 형성되는 것을 확인했다.^[5]

오스본 레이놀즈의 실험 (1883). 오스본 레이놀즈가 자신의 장치 옆에 서 있다.

난류는 시스템의 관성력이 점성력보다 우세할 때 발생하는 흐름으로 정의된다. 이러한 현상은 레이놀즈 수라는 무차원 수로 설명할 수 있는데, 레이놀즈 수는 난류 발생 시점을 결정하는 데 사용된다. 레이놀즈 수는 개념적으로 관성력과 점성력의 비율을 나타낸다.^[6]

슐리렌 사진은 정지된 공기 속에서 일반적인 양초로부터 상승하는 열 대류 기둥을 보여준다. 기둥은 처음에는 층류이지만, 이미지의 상단 1/3에서 난류로의 전환이 발생한다. 이미지는 1미터 직경의 슐리렌 거울을 사용하여 게리 세틀스에 의해 만들어졌다.

반지름 (또는 지름 )인 튜브를 통과하는 유체의 레이놀즈 수는 다음과 같이 표현된다.

:

\mathrm{Re} = \frac{2v\rho r}{\mu} = \frac{\rho v d}{\mu}

여기서 는 유체의 속도, 는 밀도, 는 튜브의 반지름, 는 유체의 동점성을 나타낸다. 유체 내의 난류는 임계 레이놀즈 수로 정의되며, 밀폐된 파이프의 경우 이 값은 대략 다음과 같다.

:

\mathrm{Re}_\text{c} \approx 2000.

임계 레이놀즈 수를 사용하여 임계 속도를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

v_\text{c} = \frac{\mathrm{Re}_\text{c} \mu}{\rho d}.

3. 난기류의 종류

난기류는 발생 원인과 장소에 따라 여러 종류로 분류된다. 크게 기상학적 분류와 가시성에 따른 분류로 나눌 수 있다. 기상학적 분류는 다시 청천난류(CAT), 운중 난류, 산악파에 의한 난류로 나뉜다.^[24]^[25]^[26] 가시성에 따른 분류에서는 육안으로 확인 가능한 난류와 그렇지 않은 난류로 나뉜다.

항공기 비행 중 날개 위아래 압력 차이로 인해 발생하는 후방 난기류(웨이크 터뷸런스)는 후류 난류라고도 불리며,^[27] 특히 이착륙 시 대형기에서 강하게 발생하여 후속기에 영향을 미칠 수 있다.^[27]

3. 1. 대기 난기류

대기 난기류는 항공기 운항에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다.

3. 1. 1. 기상학적 분류

기상학적으로 난기류는 그 원인에 따라 청천난류(Clear Air Turbulence, CAT), 운중 난류(INC TURB), 산악파에 의한 난류(Mountain Wave, MTW)의 세 종류로 나뉜다.^[24]^[25]^[26]

이들은 고도에 따라 각각 고고도(플라이트 레벨 24,000ft(FL240) 이상), 중・하층(플라이트 레벨 2,000~24,000ft(FL020~240)), 저층(플라이트 레벨 2,000ft(FL020) 이하)으로 나눌 수 있다.^[25]

한편, 실용적인 분류로 육안으로 확인할 수 있는 Visible Turbulence와 그렇지 않은 Invisible Turbulence의 두 가지로 구분하기도 한다.^[24] 이 중 Visible Turbulence는 층운(층운상의 구름) 속의 난류와 대류운(적운상의 구름) 속의 난류로 분류된다.^[24] Invisible Turbulence는 청천난류(Clear Air Turbulence), 산악파 난류(Mountain Wave), 하강 분출류(다운버스트, Downburst), 열 난류(Thermal Turbulence), 익단 와류 난류(Wake Turbulence)로 분류된다.^[24] 익단 와류 난류(Wake Turbulence)는 후류 난류라고도 한다.^[27]

맑은 하늘 난기류(Clear Air Turbulence: CAT)는 맑은 하늘 영역 또는 권운 영역에서 발생하는 난기류로, 상층운에 의해 확인될 수도 있지만, 대부분 구름을 동반하지 않는다.^[25]^[26]

적란운 등 구름 속에서 상승기류 또는 하강기류가 발생하는 현상을 '운중 난류'(INC TURB)라고 한다.

산악파에 의한 난류(Mountain Wave: MTW)는 강풍이 산악을 통과할 때, 풍하측(바람이 불어가는 쪽)에 발생하는 것을 말한다.^[25]^[26]

3. 1. 2. 고도에 따른 분류

난기류는 고도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.^[25]

고고도 난기류: 약 7315.20m (FL240) 이상
중/하층 난기류: 약 609.60m~약 7315.20m (FL020~240)
저층 난기류: 약 609.60m (FL020) 이하

3. 2. 해양 난기류

해양 난기류는 해류의 흐름, 해수면 높이 변화, 해저 지형 등 다양한 요인에 의해 발생하며, 해양 생태계와 기후 변화에 큰 영향을 미친다. 해류와 대기 흐름은 식물성 플랑크톤과 같은 유기체의 이동을 통해 생태계를 보존하는 데 중요한 역할을 하지만, 기름 및 기타 오염 물질을 운반하여 오염원을 확산시킬 수도 있다.^[11]^[12] 와류는 쓰레기와 오염 물질을 특정 지역에 모으는 역할을 하므로, 연구자들은 이를 추적하여 정화 및 오염 방지 노력을 기울이고 있다. 라그랑지 수송 모델을 사용하여 자연 수역에서 와류에 의한 플라스틱 분포와 움직임을 예측할 수 있다.^[13]

마데이라 제도와 아프리카 서부 해안에서 떨어진 카나리아 제도와 같은 장애물의 하류에서 소용돌이는 와류열이라고 하는 난류 패턴을 생성한다.

바다에서 흔히 발생하는 소용돌이는 직경이 수 센티미터에서 수백 킬로미터에 이르며, 지속 시간은 수 초에서 수개월 또는 수년까지 다양하다.

와류 발달 모델링은 난류 및 운명 수송 현상과 관련하여 환경 시스템을 이해하는 데 매우 중요하다. 과학자와 엔지니어는 환경 흐름에서 입자상 및 용존 고형물의 수송을 이해함으로써 오염 사건에 대한 효과적인 복구 전략을 수립할 수 있다. 와류 형성은 강, 호수, 대양 및 대기 등 환경 흐름에서 용질 및 입자의 운명 및 수송에 중요한 역할을 한다. 얕은 수심 지역에서는 바람에 의해 구동되는 상부 경계와 수체 바닥 근처의 하부 경계가 근접하여 영양분과 오염 물질 수송에 복잡한 영향을 미친다.^[16] 층상 연안 하구에서 용승은 경계층 아래에서 플룸을 형성하기 위해 영양분을 분산시키는 역동적인 와류의 형성을 돕는다.^[15]

3. 2. 1. 중규모 해양 와류

중규모 해양 와류는 직경이 약 10~500km이고 수일에서 수개월 동안 지속되는 소용돌이이다.^[17] 이러한 중규모 와류는 해양에서 열과 염분을 수송하여 해양 환경을 조절하는 중요한 역할을 한다.^[14]

중규모 와류는 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

정적 소용돌이: 장애물 주위의 흐름에 의해 발생한다.
과도 소용돌이: 경압 불안정성에 의해 발생한다.

남극 순환 해류나 제트류와 같이 해수면 높이 기울기를 포함하는 바다에서는 해류가 구불구불해지며 소용돌이를 생성하는데, 이는 멕시코 만류, 아굴라스 해류, 쿠로시오 해류 등 주요 해류에서 관찰된다.

중규모 해양 와류는 소용돌이 중심을 기준으로 대략 원형으로 회전하는 해류가 특징이며, 회전 방향은 반시계 방향 또는 시계 방향일 수 있다. 또한 와류 내부의 물은 일반적으로 외부와 다른 온도 및 염분 특성을 가지는데, 따뜻한 소용돌이는 시계 방향으로, 차가운 소용돌이는 반시계 방향으로 회전하는 경향이 있다.

이러한 와류는 해상 활동에 영향을 줄 수 있으며, 비정상적으로 따뜻하거나 차가운 물을 운반하여 해양의 열 수송에 중요한 역할을 한다.^[18]

아열대 북대서양에서는 사이클론성 와류와 반사이클론성 와류가 모두 발견되며, 이들은 각각 높은 표면 엽록소와 낮은 표면 엽록소와 관련이 있다. 엽록소의 존재는 더 많은 식물성 플랑크톤의 생물량을 지원하며, 이는 수직적인 영양 염류 흐름의 증가와 생물학적 공동체의 운송에 의해 뒷받침된다.^[19]^[20]

이러한 중규모 와류는 최상위 포식자와 그 먹이의 생태계 연구에 활용될 수 있다. 예를 들어, 백상아리의 이동 및 잠수 행동을 추적한 연구에 따르면, 백상아리는 사이클론성 와류보다 반사이클론성 와류에서 더 많은 잠수를 하는 경향이 있었다. 이는 반사이클론성 와류 내에서 등온선이 아래로 이동하여 더 따뜻한 물이 깊은 곳까지 침투할 수 있게 하고, 열 조절로 인한 에너지 소비 없이 더 긴 잠수를 가능하게 하기 때문이다.^[21]

4. 난기류의 영향

난기류는 항공 운항 및 해양 생태계에 다양한 영향을 미친다.

항공기가 비행할 때 날개 위아래 압력 차이로 인해 발생하는 후방 난기류는 다른 항공기의 안전 운항에 영향을 줄 수 있다.^[27] 맑은 하늘이나 권운 부근에서 발생하는 맑은 하늘 난기류, 적란운 등 구름 속에서 상승기류나 하강기류 때문에 발생하는 운중 난기류, 강한 바람이 산을 넘어갈 때 생기는 산악파 등도 항공기 운항에 영향을 미친다.^[25]^[26] 윈드 시어는 항공기 사고의 주요 원인 중 하나이며, 안전 벨트 착용은 난기류 발생 시 기내 안전을 확보하는 효과적인 방법이다.^[24]

해류와 대기 흐름은 입자, 부스러기, 유기체를 전 세계로 이동시키는데, 이는 생태계에 긍정적, 부정적 영향을 모두 미칠 수 있다.^[11]^[12] 와류는 쓰레기와 오염 물질을 모으는 역할을 하기도 하며, 과학자들은 이를 추적하여 정화 및 오염 방지 연구를 진행한다.^[13] 중규모 해양 와류는 열을 극 방향으로 전달하고, 다양한 깊이에서 열 구배를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.^[14] 와류 발달 모델링은 환경 시스템에 대한 이해를 돕고, 오염 사건에 대한 효과적인 복구 전략을 수립하는 데 활용된다.^[15]

산업 공정에서는 유체의 와류 경향을 이용하여 연료와 공기의 혼합을 촉진하거나, 유체 흐름 체제의 다양한 전이를 모델링하여 유체를 철저히 혼합하고 반응 속도를 높인다.^[4]^[10]

4. 1. 항공 운항

맑은 하늘 난기류(Clear Air Turbulence:CAT)는 맑은 하늘이나 권운 부근에서 발생하는 난기류이다. 구름이 없는 곳에서도 발생하지만, 상층운으로 확인되기도 한다.^[25]^[26] 적란운 등 구름 속에서 상승기류나 하강기류 때문에 발생하는 것은 '운중 난기류'(INC TURB)라고 한다. 강한 바람이 산을 넘어갈 때 바람이 불어가는 쪽에 생기는 난기류는 산악파(Mountain Wave:MTW)라고 한다.^[25]^[26]

항공기가 비행할 때 날개 위아래 압력 차이로 인해 후방 난기류(Wake Turbulence)라는 와류가 발생한다.^[27] 난기류에 항공기가 휘말리면 수직 가속도가 크게 변하고, 기수를 위아래로 흔드는 피칭(pitching)이나 좌우로 기울어지는 롤링(rolling) 등의 움직임이 나타날 수 있다.^[26]

윈드 시어(wind shear)는 수직이나 수평 방향으로 풍향 또는 풍속에 큰 차이가 있는 상태(바람의 단층)를 말하며, 맑은 하늘 난기류 및 구름 속 난기류와 함께 항공기 사고의 원인이 된다.^[26]

안전 벨트 착용은 난기류 발생 시 기내 안전을 확보하는 효과적인 방법으로, 신체 중심부(하복부)를 고정하는 역할을 한다.^[24] 일본 운수안전위원회의 조사에 따르면, 기체 동요 사고 18건 중 안전 벨트 착용 사인이 켜져 있던 경우와 꺼져 있던 경우가 각각 9건이었으나, 사인 점등 직후 기체가 흔들려 벨트를 착용할 틈 없이 부상당한 경우도 있었다.^[26]

4. 1. 1. 후방 난기류 (Wake Turbulence)

항공기가 비행할 때, 날개 위아래의 압력 차이 때문에 후방 난기류(웨이크 터뷸런스, Wake Turbulence)라고 부르는 와류가 발생한다.^[27] 특히 비행 속도가 느린 이착륙 시의 대형 항공기는 후방 난기류가 강해져서 뒤따르는 항공기에 영향을 줄 수 있다.^[27]

4. 1. 2. 항공 사고 사례

1997년 4월 14일 - 일본항공 소속 보잉 747-400형기가 샤를 드 골 공항에서 나리타 국제공항(당시 신도쿄 국제공항)으로 비행 중, 14시 50분경 다이코 남방 약 50km, 기압 고도 약 4572.00m 부근에서 난기류에 조우했다.^[24]^[28] 승무원 18명 및 승객 270명 총 289명 중 1명이 중상, 8명이 경상을 입었다.^[28]
1997년 12월 28일 - 유나이티드 항공 소속 보잉 747형기가 북태평양 상공에서 청천 난기류에 조우했다.^[24] 보잉 747형기 기체 손실 사고 참조.
2024년 5월 21일 - 싱가포르 항공 321편 난기류 사고로 1명이 사망했다.

4. 2. 해양 생태계

해류와 대기 흐름은 입자, 부스러기, 유기체를 전 세계로 이동시킨다. 식물성 플랑크톤과 같은 유기체의 이동은 생태계 보존에 필수적인 반면, 기름 및 기타 오염 물질도 해류에 섞여 오염원을 멀리 운반할 수 있다.^[11]^[12] 와류는 쓰레기 및 기타 오염 물질을 집중된 지역으로 순환시키며, 연구자들은 정화 및 오염 방지를 위해 이를 추적하고 있다. 자연 수역에서 와류 형성에 의한 플라스틱의 분포와 움직임은 라그랑지 수송 모델을 사용하여 예측할 수 있다.^[13] 중규모 해양 와류는 열을 극 방향으로 전달하고, 다양한 깊이에서 열 구배를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.^[14]

와류 발달 모델링은 난류 및 운명 수송 현상과 관련하여 환경 시스템에 대한 이해를 돕는 데 매우 중요하다. 과학자와 엔지니어는 환경 흐름에서 입자상 및 용존 고형물의 수송을 이해함으로써 오염 사건에 대한 효과적인 복구 전략을 수립할 수 있다. 와류 형성은 강, 호수, 대양 및 대기 등 환경 흐름에서 용질 및 입자의 운명 및 수송에 중요한 역할을 한다. 층상 연안 하구에서 용승은 경계층 아래에서 플룸을 형성하기 위해 영양분을 분산시키는 역동적인 와류의 형성을 보장한다.^[15] 해안과 같이 수심이 얕은 곳은 바람에 의해 구동되는 상부 경계와 수체의 바닥 근처에 있는 하부 경계의 근접성으로 인해 영양분과 오염 물질의 수송에 복잡한 역할을 한다.^[16]

아열대 북대서양은 높은 표면 엽록소와 낮은 표면 엽록소와 관련된 사이클론성 및 반사이클론성 와류를 모두 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 엽록소의 존재와 더 높은 수준의 엽록소는 이 지역이 더 많은 식물성 플랑크톤의 생물량을 지원할 수 있게 하며, 수직적인 영양 염류 흐름의 증가와 생물학적 공동체의 운송에 의해서도 지원된다. 이 대서양 지역은 또한 해양 사막으로 여겨지는데, 이는 다양한 종류의 대형 원해어류 개체군과 최상위 포식자를 호스팅하기 때문에 흥미로운 역설을 만든다.^[19]^[20]^[21]

이러한 중간 규모 와류는 최상위 포식자와 그들의 먹이가 이 와류를 어떻게 활용하는지를 더 잘 이해하기 위해 생태계 기반 관리를 위한 먹이 그물 모델을 더 발전시키는 데 도움이 되는 것으로 나타났다. Gaube et al. (2018)은 "스마트" 위치 또는 온도 전송 태그(SPOT)와 팝업 위성 보존 전송 태그(PSAT)를 사용하여 와류 내에서 두 마리의 암컷 백상아리(Carcharodon carcharias)의 이동 및 잠수 행동을 추적했다. 와류는 해수면 높이(SSH)와 수평 속도 기반 반경 스케일을 사용한 윤곽선을 사용하여 정의되었다. 이 연구에 따르면 백상아리는 두 사이클론 모두에서 잠수했지만 사이클론성 와류보다 세 배 더 많은 잠수를 한 반사이클론을 선호했다. 또한, 걸프 스트림 와류에서 반사이클론성 와류는 57% 더 흔했으며, 외해 와류 및 걸프 스트림 사이클론성 와류보다 더 많은 잠수와 더 깊은 잠수를 했다.^[21]

이러한 반사이클론성 와류 내에서 등온선은 50m 아래로 이동하여 더 따뜻한 물이 물 기둥의 더 깊은 곳까지 침투할 수 있게 했다. 이 따뜻한 물의 변위는 백상아리가 더 차가운 사이클론에서의 열 조절로 인한 추가적인 에너지 소비 없이 더 긴 잠수를 할 수 있게 할 수 있다. 비록 이러한 반사이클론성 와류가 사이클론성 와류에 비해 낮은 수준의 엽록소를 초래했지만, 더 깊은 깊이의 따뜻한 물은 더 깊은 혼합층과 더 높은 농도의 규조류를 허용하여 더 높은 일차 생산률을 초래할 수 있다.^[21]^[22] 또한, 먹이 개체군은 이 중간 해양 지역에서 더 많이 분포하여 이러한 더 큰 암컷 상어가 이 지역에서 먹이를 찾도록 유인할 수 있다. 이 잠수 패턴은 일주기 수직 이동을 따를 수 있지만, 이 지역 내 먹이의 생물량에 대한 더 많은 증거가 없이는 이러한 정황 증거만으로는 이러한 결론을 내릴 수 없다.^[21]

중간 해양 지역의 생물량은 여전히 연구가 부족하여 이 층 내의 물고기 생물량이 과소평가될 가능성이 있다. 이 생물량에 대한 더 정확한 측정이 이 지역 내에서 추가적인 어장을 제공하여 상업 어업에 도움이 될 수 있다. 또한, 외해에서 이 지역을 더 잘 이해하고 이 지역에서 물고기 제거가 이 원해 먹이 그물에 미치는 영향은 이 먹이원에 의존할 수 있는 어류 개체군과 최상위 포식자뿐만 아니라 더 나은 생태계 기반 관리 계획을 세우는 데 매우 중요하다.^[21]

4. 3. 산업 공정

유체의 와류 경향은 내연 기관에서 연료와 공기의 혼합을 촉진하는 데 사용된다.^[4] 난류 현상에서 얻은 데이터는 유체 흐름 체제의 다양한 전이를 모델링하여 산업 공정 내에서 유체를 철저히 혼합하고 반응 속도를 높이는 데 사용된다.^[10]

5. 난기류 연구 및 기술 개발

오스본 레이놀즈는 1883년 물과 염료를 이용한 유체 역학 실험을 통해 유체 속도를 조절하여 층류에서 와류와 소용돌이 형성을 특징으로 하는 난류로의 전이를 관찰했다.^[5] 난류는 시스템의 관성력이 점성력보다 우세한 흐름으로 정의된다. 이 현상은 레이놀즈 수로 설명되는데, 레이놀즈 수는 난류가 발생할 때를 결정하는 데 사용되는 무차원 수이다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비율이다.^[6]

반지름 (또는 지름 )의 튜브를 통과하는 레이놀즈 수의 일반적인 형태는 다음과 같다.

: $\mathrm{Re} = \frac{2v\rho r}{\mu} = \frac{\rho v d}{\mu}$

여기서 는 유체의 속도, 는 밀도, 는 튜브의 반지름, 는 유체의 동점성이다. 유체 내의 난류는 임계 레이놀즈 수로 정의되며, 밀폐된 파이프의 경우 대략 다음과 같다.

: $\mathrm{Re}_\text{c} \approx 2000.$

임계 레이놀즈 수의 관점에서 임계 속도는 다음과 같이 나타낸다.

: $v_\text{c} = \frac{\mathrm{Re}_\text{c} \mu}{\rho d}.$

다음은 나비에-스토크스 방정식의 레이놀즈 평균에서 얻은 레이놀즈 응력을 평균 흐름 변형장과의 선형 구성 관계에 따라 모델링하는 난류 모델이다.

: $-\rho \langle u_iu_j\rangle = 2\mu_tS_{i,j}-\tfrac23\rho\kappa\delta_{i,j}$

여기서

$\mu_t$ 는 난류 "점성"(에디 점성이라고도 함) 계수이다.
$\kappa = \tfrac1 2\bigl(\langle u_1u_1\rangle +\langle u_2u_2\rangle +\langle u_3u_3\rangle \bigr)$ 는 평균 난류 운동 에너지이다.
$S_{i,j}$ 는 ''평균'' 변형률이다.

선형 구성 관계에

\tfrac2 3\rho\kappa\delta_{i,j}

을 포함하는 것은 2-방정식 난류 모델(또는

\kappa

에 대한 수송 방정식을 푸는 다른 난류 모델)을 풀 때 텐서 대수 목적으로 필요하다.^[7]

해류와 대기 흐름은 입자, 부스러기, 유기체를 전 세계로 이동시킨다. 식물성 플랑크톤과 같은 유기체의 이동은 생태계 보존에 필수적인 반면, 기름 및 기타 오염 물질도 해류에 섞여 오염원을 멀리 운반할 수 있다.^[11]^[12] 와류는 쓰레기 및 기타 오염 물질을 집중된 지역으로 순환시키며, 연구자들은 정화 및 오염 방지를 위해 이를 추적하고 있다. 자연 수역에서 와류 형성에 의한 플라스틱의 분포와 움직임은 라그랑지 수송 모델을 사용하여 예측할 수 있다.^[13] 와류 발달 모델링은 난류 및 운명 수송 현상과 관련하여 환경 시스템에 대한 이해를 돕는 데 매우 중요하다. 과학자와 엔지니어는 환경 흐름에서 입자상 및 용존 고형물의 수송을 이해함으로써 오염 사건에 대한 효과적인 복구 전략을 수립할 수 있다.

5. 1. 난기류 예측

맑은 하늘 난기류(Clear Air Turbulence: CAT)는 맑은 하늘 영역 또는 권운 영역에서 발생하는 난기류로, 상층운에 의해 확인될 수도 있지만, 대부분 구름을 동반하지 않는다.^[25]^[26]

난기류, 특히 맑은 하늘 난기류는 눈에 보이지 않고, 수평적, 수직적으로 존재 위치가 일정하지 않아 예측이 어렵다.^[24] 또한 난기류의 발생은 기체의 크기, 무게, 주 날개의 스팬, 익면 하중, 속도, 자세 등의 기체 측 요인도 크게 작용하기 때문에 정확한 예측을 더욱 어렵게 한다.^[24]

JAXA(일본 우주항공연구개발기구)에서는 비행기 진행 방향으로 레이저 광선을 발사하여 먼지에 부딪혀 반사된 빛을 수신함으로써 먼지의 움직임에서 난기류를 감지하는 "난기류 사고 방지 기체 기술"(SafeAvio)을 개발하고 있다.^[23]

5. 2. 전산 유체 역학 (CFD)

오스본 레이놀즈는 1883년 물과 염료를 이용한 유체 역학 실험을 통해 유체 속도를 조절하여 와류와 소용돌이 형성을 특징으로 하는 층류에서 난류로의 전이를 관찰했다.^[5] 난류는 시스템의 관성력이 점성력보다 우세한 흐름으로 정의된다. 이 현상은 레이놀즈 수로 설명되는데, 레이놀즈 수는 난류가 발생할 때를 결정하는 데 사용되는 무차원 수이다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비율이다.^[6]

반지름 (또는 지름 )의 튜브를 통과하는 레이놀즈 수의 일반적인 형태는 다음과 같다.

:

\mathrm{Re} = \frac{2v\rho r}{\mu} = \frac{\rho v d}{\mu}

여기서 는 유체의 속도, 는 밀도, 는 튜브의 반지름, 는 유체의 동점성이다. 유체 내의 난류는 임계 레이놀즈 수로 정의되며, 밀폐된 파이프의 경우 대략 다음과 같다.

:

\mathrm{Re}_\text{c} \approx 2000.

임계 레이놀즈 수의 관점에서 임계 속도는 다음과 같이 나타낸다.

:

v_\text{c} = \frac{\mathrm{Re}_\text{c} \mu}{\rho d}.

다음은 나비에-스토크스 방정식의 레이놀즈 평균에서 얻은 레이놀즈 응력을 평균 흐름 변형장과의 선형 구성 관계에 따라 모델링하는 난류 모델이다.

:

-\rho \langle u_iu_j\rangle = 2\mu_tS_{i,j}-\tfrac23\rho\kappa\delta_{i,j}

여기서

$\mu_t$ 는 난류 "점성"(에디 점성이라고도 함) 계수이다.
$\kappa = \tfrac1 2\bigl(\langle u_1u_1\rangle +\langle u_2u_2\rangle +\langle u_3u_3\rangle \bigr)$ 는 평균 난류 운동 에너지이다.
$S_{i,j}$ 는 ''평균'' 변형률이다.

선형 구성 관계에

\tfrac2 3\rho\kappa\delta_{i,j}

을 포함하는 것은 2-방정식 난류 모델(또는

\kappa

에 대한 수송 방정식을 푸는 다른 난류 모델)을 풀 때 텐서 대수 목적으로 필요하다.^[7]

5. 3. 환경 관리

해류와 대기 흐름은 입자, 부스러기, 유기체를 전 세계로 이동시킨다. 식물성 플랑크톤과 같은 유기체의 이동은 생태계 보존에 필수적인 반면, 기름 및 기타 오염 물질도 해류에 섞여 오염원을 멀리 운반할 수 있다.^[11]^[12] 와류는 쓰레기 및 기타 오염 물질을 집중된 지역으로 순환시키며, 연구자들은 정화 및 오염 방지를 위해 이를 추적하고 있다. 자연 수역에서 와류 형성에 의한 플라스틱의 분포와 움직임은 라그랑지 수송 모델을 사용하여 예측할 수 있다.^[13] 중규모 해양 와류는 열을 극 방향으로 전달하고, 다양한 깊이에서 열 구배를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.^[14]

와류 발달 모델링은 난류 및 운명 수송 현상과 관련하여 환경 시스템에 대한 이해를 돕는 데 매우 중요하다. 과학자와 엔지니어는 환경 흐름에서 입자상 및 용존 고형물의 수송을 이해함으로써 오염 사건에 대한 효과적인 복구 전략을 수립할 수 있다. 와류 형성은 강, 호수, 대양 및 대기 등 환경 흐름에서 용질 및 입자의 운명 및 수송에 중요한 역할을 한다. 층상 연안 하구에서 용승은 경계층 아래에서 플룸을 형성하기 위해 영양분을 분산시키는 역동적인 와류의 형성을 보장한다.^[15] 해안과 같이 수심이 얕은 곳은 바람에 의해 구동되는 상부 경계와 수체의 바닥 근처에 있는 하부 경계의 근접성으로 인해 영양분과 오염 물질의 수송에 복잡한 역할을 한다.^[16]

6. 난기류의 강도

국제민간항공기구(ICAO)는 난기류의 강도를 약, 보통, 강 3단계로 분류하여 항공기 운항에 활용하고 있다.^[25]^[26]

ICAO 항공 위원회에 따른 난기류 등급표
난기류 강도	가속도계의 변동폭	체감
약	0.5g 이하	약간의 흔들림을 느끼지만 허리가 뜰 정도는 아니다.
보통	0.5~1.0g	항공기의 자세와 고도가 상당히 변동하지만, 제어 가능하다. 기속에 작은 변동이 있으며, 보행은 곤란하고 몸은 벨트로 죄어진다. 고정되지 않은 물체는 움직인다.
강	1.0g보다 큼	항공기의 자세와 고도가 급격하게 바뀌어, 일시적으로 제어 불가능하게 된다. 기속의 변동이 크고, 몸은 벨트로 심하게 죄어진다. 고정되지 않은 물체는 튀어 다닌다.

6. 1. 난기류와 최상위 포식자

북대서양의 난기류는 백상아리와 같은 최상위 포식자의 먹이 활동과 서식지 이용에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 난기류는 먹이 생물의 분포에 영향을 주어 최상위 포식자의 행동에 간접적인 영향을 줄 수 있다. 소용돌이는 격렬한 순환과 관련될 수 있으므로 해상 해군 및 상업 활동에 우려가 되지만, 이동하면서 비정상적으로 따뜻하거나 차가운 물을 운반하기 때문에 해양의 특정 부분에서 열 수송에 중요한 영향을 미친다.^[18]

참조

_[1] 학술지 Flow past a Cylinder on a Plane, with Application to Gulf Stream Separation and the Antarctic Circumpolar Current http://www.met.readi[...] 2011-04-01
_[2] 학술지 Effects of Disturbed Flow on Vascular Endothelium: Pathophysiological Basis and Clinical Perspectives 2011-01-01
_[3] Encyclopedia Encyclopedia Britannica eddy (fluid-mechanics) https://www.britanni[...]
_[4] 서적 Transport phenomena Wiley 2002
_[5] 서적 Elementary Fluid Mechanics https://archive.org/[...] World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
_[6] 웹사이트 Pressure http://hyperphysics.[...] 2017-02-12
_[7] 웹사이트 Linear eddy viscosity models -- CFD-Wiki, the free CFD reference https://www.cfd-onli[...] 2017-02-12
_[8] 웹사이트 The Flight of a Golf Ball http://press.princet[...]
_[9] 웹사이트 Why are Golf Balls Dimpled? http://math.ucr.edu/[...] 2017-02-12
_[10] 웹사이트 The Mixing Transition in Turbulent Flows http://www.its.calte[...] 2017-03-06
_[11] 웹사이트 Ocean currents push phytoplankton, and pollution, around the globe faster than thought https://www.scienced[...] 2016-04-16
_[12] 웹사이트 Ocean Pollution http://www.noaa.gov/[...]
_[13] 학술지 Modeling the three-dimensional transport and distribution of multiple microplastic polymer types in Lake Erie 2020-05-01
_[14] 웹사이트 Ocean Mesoscale Eddies – Geophysical Fluid Dynamics Laboratory https://www.gfdl.noa[...] 2017-02-12
_[15] 학술지 Influence of a River Plume on Coastal Upwelling Dynamics: Importance of Stratification 2019-07-23
_[16] 학술지 Large eddy simulation of mixing in coastal areas http://www.sciencedi[...] 2010-06-01
_[17] 학술지 Flow past a Cylinder on a β Plane, with Application to Gulf Stream Separation and the Antarctic Circumpolar Current
_[18] 웹사이트 Ocean Mesoscale Eddies https://www.gfdl.noa[...] NOAA 2021-06-10
_[19] 논문 The influence of nonlinear mesoscale eddies on near-surface oceanic chlorophyll 2011
_[20] 논문 Regional variations in the influence of mesoscale eddies on near-surface chlorophyll 2014
_[21] 논문 Mesoscale eddies influence the movements of mature female white sharks in the Gulf Stream and Sargasso Sea 2018
_[22] 논문 Eddy/Wind interactions stimulate extraordinary mid-ocean plankton blooms 2007
_[23] 웹사이트 乱気流事故から乗客・乗員を守れ!乱気流を事前に検知して、飛行機の揺れを軽減するSafeAvio（JAXA航空マガジン FLIGHT PATH 2013年12月号） https://www.aero.jax[...] JAXA（宇宙航空研究開発機構）航空本部 2024-05-22
_[24] 학술지 乱気流と乗客の安全 https://doi.org/10.5[...] 日本観光学会
_[25] 웹사이트 第3章乱気流とウインドシヤー https://www.data.jma[...] 気象庁 2024-05-22
_[26] 웹사이트 ～事故等調査事例の紹介と分析～運輸安全委員会ダイジェスト第15号 https://www.mlit.go.[...] 運輸安全委員会 2024-05-22
_[27] 학술지 後方乱気流の観測(各種システムの安全性(2),OS.10 各種システムの安全性) https://doi.org/10.1[...] 一般社団法人日本機械学会
_[28] 웹사이트 報告書番号98-1 https://jtsb.mlit.go[...] 運輸安全委員会 2024-05-22
_[29] 웹사이트 한국물리학회 물리학용어집 https://www.kps.or.k[...]
_[30] 웹사이트 대한화학회 화학술어집 https://new.kcsnet.o[...]

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