공기/구름의 상호작용에서 물질전달 한계속도의 중요성

초록

액적화학은 황산생성에 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 OH와 HO2 자유기 생성에도 영향을 미친다. 이전의 많은 논문들에서는 기상과 액적사이의 mass transfer는 기상과 액적에서의 화학반응보다 더 빠르다고 가정함으로써 모든 크기의 액적과 모든 화학종에서 2상 사이의 평형이 이루어진다. 이 상평형가정(phase equilibrium assumption)을 이용하여 time scale 불균형 문제를 해결하고, 수식의 수를 줄일 수 있다. 이는 기상-액적간의 상호작용을 모사하는 수치해석 과정을 상당히 간단히 한다. 그러나 몇몇 자유기의 액상 화학반응은 때때로 기상-액적간의 mass transfer 속도보다 빨라서 상평형가정이 안 맞는 경우도 있다. 이 문제점을 언급하기 위해 time splitting 방법을 사용하여 상평형가정을 쓰지 않고 공기-구름의 상호작용을 모사하였다. 그러나 time splitting 방법은 액상화학반응이 기상-액적간의 mass transfer 속도에 필적하면 무시할 수 없는 수치적인 오차가 생기기 쉽다. 본 논문에서는 stiff-ODE solver를 이용해 공기-구름 화학을 직접적으로 모사하였다. 그리하여 Lurman Atkinson Lloyd chemical mechanism에서의 화학종과 10∼100㎛ 범위에 있는 액적에 대하여 상평형가정의 타당성을 검토한다. 그리고 상평형가정을 이용한 간략화된 방법과 time splitting 방법을 직접적인 방법과 비교한다. 마지막으로 이 직접적인 방법을 모델에 적용하여 액적 크기 분포와 nucleation, accommodation, growth같은 미소액적 현상들의 중요성을 평가한다.