기체-액체 인터페이스를 통한 난류 흐름

나가오사 류이치 박사는 메릴랜드 대학교 환경 에너지 공학 센터의 교수 연구원입니다. 화학 엔지니어인 그는 환경의 운송 현상을 전문으로 합니다. 그의 주요 관심사는 난류와 환경 유체 역학, 그리고 이들이 환경에 미치는 영향입니다. 보다 구체적으로, 그의 연구는 대기-해양 계면에서 난류 열과 기체 교환에 대한 연구에 초점을 맞추고 있습니다.

나가오사는 또한 일본 이바라키주 쓰쿠바에 있는 AIST(국립 첨단 산업 과학 기술 연구소) 콤팩트 화학 시스템 연구 센터의 선임 연구 과학자로 재직 중입니다. 또한 노르웨이 베르겐 대학교 산하 비영리 기후 및 환경 연구 재단인 난센 환경 및 원격 감지 센터의 방문 과학자로도 활동했습니다.

경력 초기에 나가오사는 환경 유체 역학을 평가할 때 선호하는 방법으로 계산 기법을 선택했습니다. 그는 15년 이상 수치 시뮬레이션 및 전산 유체 역학(CFD) 시각화 도구인 Tecplot 360 소프트웨어를 사용하여 방대한 양의 복잡한 정보를 빠르게 이해할 수 있는 최첨단 시각적 재현을 생성해 왔습니다. 그는 이 소프트웨어를 폐쇄된 공간에서 위험 물질 누출에 대한 위험 평가와 주거 공간에서 발생하는 위험 가스의 확산을 보여주는 커뮤니케이션 도구로 사용합니다.

'영감 기반 사고'가 난기류 역학을 이해하는 데 도움이 될 것이라는 것이 나가오사의 믿음입니다. 그가 보기에 이것이 엔지니어의 역할입니다. 최근 나가오사의 연구와 Tecplot 360 소프트웨어 사용에 대해 인터뷰했습니다.

난류 소용돌이의 아름다운 스냅샷을 제작하는 것은 아마추어 아티스트로서 숨겨진 취미 중 하나입니다. 이 스냅샷은 노르웨이 동료인 교수님과 매우 긴밀한 협력을 통해 제작되었습니다. 버겐 대학교의 구톰 알렌달과 라스 잉게 엔스타드 박사. 난센 환경 및 원격 감지 센터의 객원 과학자로 초대되었을 때, 우리는 수치 실험을 기반으로 난류 소용돌이의 구조에 대한 몇 가지 관찰을 즐겼습니다. 유체 물리학, 18,055106(2006), 라스 잉게 엔스타드, 루이치 나가오사, 구톰 알렌달 출판.

요약

Tecplot 360 소프트웨어를 사용하면 대기와 해양의 난류를 포함한 유체 역학을 시각화할 수 있으므로 과학적 이해를 높일 수 있습니다. 이 소프트웨어는 물 난류에서 소용돌이를 시각화하는 데 매우 유용합니다.

난류 소용돌이의 아름다운 스냅샷을 제작하는 것은 아마추어 아티스트로서 숨겨진 취미 중 하나입니다. 이 글의 첫머리에 있는 스냅샷은 노르웨이 동료인 교수님과 매우 긴밀한 협력을 통해 제작되었습니다. 제가 난센 환경 및 원격 감지 센터의 객원 과학자로 초대되었을 때 베르겐 대학교의 구톰 알렌달과 라스 잉게 엔스타드 박사가 있었습니다. 우리는 수치 실험을 기반으로 난류 소용돌이의 구조에 대한 몇 가지 관찰을 즐겼습니다.

애니메이션

유체 속도 및 기체 농도 매핑 개발

• 이 애니메이션은 매우 가깝지만 경계면에서는 그렇지 않은 위치에서 유체 속도 및 기체 농도 매핑의 시간 전개를 보여줍니다.

• 애니메이션은 또한 기체-액체 인터페이스 위에서 아래쪽을 바라보는 난류 흐름을 보여줍니다.

• 빨간색과 파란색 매핑은 시공간 평균에서 양과 음의 편차의 기체 농도를 나타냅니다.

• 우리는 난류 흐름 내부에서 파란색(저농도 유체)이 간헐적으로 나타나는 것을 관찰할 수 있으며, 유체는 인터페이스를 통해 매우 광범위하게 기체를 교환할 수 있습니다.

난류 소용돌이 구조

• 이 애니메이션은 Ref에 사용된 공식으로 추출된 난류 소용돌이 구조의 시간 전개에 대한 사시도를 보여줍니다.

• 난류 흐름에서 많은 난류 소용돌이 구조가 생성되며, 어떤 곳에서는 이러한 구조가 기체-액체 인터페이스와 상호 작용합니다.

• x-z 평면에서 유체 속도 매핑과 와류 구조의 시간 개발도 이 애니메이션에서 애니메이션화되었지만 매핑은 이 애니메이션에서 구별하기 어렵습니다.

• 애니메이션 3은 난류 소용돌이 구조의 역학에 초점을 맞춥니다.

난류 와류 구조 - 측면도

• 이 애니메이션은 난류 소용돌이 구조의 시간 전개를 측면에서 살펴봄으로써 보여줍니다.

• 기체-액체 인터페이스는 이 애니메이션의 상단 경계에 위치합니다.

• 빨간색과 파란색 매핑은 시공간 평균으로부터의 와류 변동을 나타냅니다.

• 소용돌이의 빨간색과 파란색 매핑은 시계 방향 및 반시계 방향 회전의 유체 흐름을 나타냅니다.

인터뷰

Q. 1. 공학에 어떻게 관심을 갖게 되었나요?

A. 1. 고등학생과 대학 학부생이었을 때 저는 수학을 좋아했습니다. 그리고 저는 엔지니어가 되기로 결심했는데, 영감을 기반으로 한 사고가 세상에 도움이 될 것이라고 믿기 때문입니다. 엔지니어는 이러한 사고를 제공합니다.

Q. 2. 어떻게 난기류를 공부 영역으로 선택하게 되었나요?

A. 2. 저는 화학공학과에 입학하여 학부생 시절 유체역학 연구소에 입사하기로 결정했습니다. 제 상사는 난류 연구 및 실험실 실험 전문가였습니다. 저는 20년 이상 그의 연구 방법에서 강한 영향을 받아 왔습니다. 저는 실험적 유체 역학이 아닌 계산 기법을 연구 도구로 선택했습니다.

Q. 3. 대기와 해양의 난기류가 중요한 이유는 무엇입니까?

A. 3. 환경의 유체 흐름은 대기 및 해양 흐름을 포함하여 격동적입니다. 대기에서 해수면을 가로질러 바다로 가스를 운반하는 방법을 고려해 보겠습니다. 바다의 가스 농도는 주로 표면과의 거리에 따라 크게 달라집니다. 그리고 이러한 농도 프로파일은 인터페이스에서 큰 기울기를 갖습니다.

일반적으로 기체 물질은 물보다 공기 중에 더 쉽게 퍼집니다. 즉, 물속의 가스 수송 속도가 공기 중의 가스 수송 속도보다 훨씬 느립니다. 따라서 공기 중 물질의 농도는 공기 중에 빠르게 퍼지기 때문에 공간에서 균일하다고 생각합니다. 이 가정을 사용하여 물에서만 물질의 농도 프로파일을 계산하는 데 집중합니다. 이 가정은 공기 중 농도 계산을 건너뛰어 계산 노력을 줄이는 데도 도움이 됩니다.

한편, 예를 들어 공기 중 난류 흐름이 수면에 파동을 유발하여 결과적으로 물의 난류를 유발하는 경우와 같은 경우에 공기 중 물질의 확산의 중요성을 깊이 이해합니다. 이 경우 공기 중 기체의 확산은 파동 파고에서 그리 빠르지 않으므로 계산에서 이를 고려해야 합니다. 가까운 미래에 저는 기체 교환에 수반되는 공기와 물의 난류 흐름의 상호작용을 계산하여 물리적으로 복잡한 현상을 이해하고자 합니다.

Q. 4. 연구를 수행할 때 직면하는 어려움은 무엇입니까?

A. 4. 기체 물질과 열은 해양과 대기 사이에서 교환되며, 이러한 환율은 주로 계면 아래 바다의 난류에 의해 결정됩니다. 인터페이스 근처의 작은 난류 흐름 구조를 측정하는 것은 실험실 및 현장 실험에서 어렵습니다. 제 목표는 계산 기법을 적용하여 바다의 난기류, 인터페이스와의 난기류 상호작용, 대기와 바다 사이의 질량 균형을 정량화하는 것입니다. 이러한 계산을 수행하려면 많은 가정과 상당한 시간이 필요합니다. Tecplot 360을 사용하면 계산 노력을 줄이고 강력한 물리 기반 난류 모델에 대한 아이디어를 제안할 수 있습니다.

Q. 5. 연구의 목표는 무엇인가요?

A. 5. 저의 궁극적인 목표는 대기-해양 인터페이스 전반의 난류 흐름과 열 및 가스 교환을 연구하고 막대한 계산 리소스를 사용하지 않고도 체계적인 방식으로 환율을 모델링하는 것입니다. 예를 들어, 해수면 속도 프로파일이나 근거리 풍력 프로파일의 몇 가지 스냅샷만으로 CO2의 환율을 평가할 수 있다면 전 세계 탄소 순환의 상당 부분을 더 쉽게 이해할 수 있습니다.

Q. 6. 대기-해양 역학을 이해하는 것이 왜 중요합니까?

A. 6. 해수면은 CO2 및 O2와 같은 중요한 기체 물질과 열 에너지, 수분 등을 대기에서 전달하는 주요 입구 중 하나입니다. 또한 바람에 의해 발생하는 ­ 파동으로 인해 인터페이스가 방해받을 수 있으며, 이는 두 흐름 간의 가스 교환 메커니즘을 변경할 수 있습니다. 그리고 앞서 설명했듯이 바다의 난기류는 가스 환율을 결정하는 데 주요 요인이 될 수 있습니다. 이러한 점에서 대기와 바다의 상호작용은 매우 중요합니다.

Q. 7. CO2 이동으로 인한 해양 산성화에 대해 말씀하셨습니다. 이것과 왜 중요한지 설명해 주시겠어요?

A. 7. 다른 사람들은 대기-해양 경계면을 가로지르는 CO2 흡수가 바닷물의 산성화를 유발하여 잠재적인 환경 및 생태학적 영향을 미칠 수 있다는 우려를 표명했습니다(칼데이라, M. 위켓. Nature, 425(2003), 365). 산성화는 바다로 흡수된 CO2의 일련의 화학 반응에 의해 발생하며, 난류가 이러한 화학 반응에 미치는 영향을 이해해야 합니다. 인터페이스 전반의 가스 교환에 대한 예비 계산에 따르면 화학 반응이 가스 교환 속도를 향상시키는 것으로 나타났습니다. 가까운 시일 내에 이러한 반응을 더 자세히 조사할 것입니다.

Q. 8. 귀하의 연구는 지구 온난화에 대한 지식을 어떻게 확장할 것입니까?

A. 8. 제 목표는 환경 유체의 흐름과 글로벌 탄소 순환을 이해하는 것입니다. 저는 과학자와 엔지니어가 환경 악화를 막을 수 있다고 생각하지 않습니다. 하지만 저는 우리가 위험과 그 중요성을 감지하고 지구를 구할 수 있는 대체 기술을 제안할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 정책 입안자와 정치인은 환경을 보호하는 데 더 큰 역할을 합니다. 그러나 과학적 지식을 기반으로 솔루션을 제안할 수 있습니다. 지구를 이해하는 것이 지구를 구하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.