이층 유체층에서 원형 실린더 수중체 이동에 의한 자유수면파 및 내부파 전파 특성 분석

초록

수중에서 이동하는 물체로 인해 수면에 발생하는 자유수면파의 특성을 파악하는 것은 궁극적으로 수중체 탐지를 위한 기초 연구로서의 가치가 있다. 본 연구는 해양에서 실제로 발생할 수 있는 수중 밀도층 환경을 구성하고 수중체를 직접 예인하는 방식으로 자유수면파와 내부파를 발생시켜 전파 특성을 분석하였다. 수중체로 인한 수면 변화를 명확하게 재현하기 위해 원형 실린더를 수중체 모형으로 사용하였다. 단일 유체장에서 이동하는 수중체 후면에서 발생하는 유동 현상이 자유 수면에 미치는 영향을 파악했던 기존 연구를 확장하여, 이층 유체장 환경에서 동일한 수중체 이동에 의한 자유수면파와 내부파의 전파 특성을 분석하였다. 본 연구는 인하대학교의 이차원 예인수조를 활용하여 식용유와 청수를 이용하여 이층 유체장을 구현하였고, 상부와 하부 유체층의 깊이와 수중체 예인 속도를 변화시켜 수중체의 이동으로 발생하는 자유수면파와 내부파를 계측하고 분석하였다. 또한, 실험 결과는 포텐셜 유동 기반의 수치 예인 수조(Numerical towing tank) 결과와 비교하여 유체 압력과 점성의 영향에 의한 자유 수면파와 내부파의 변화를 비교하였다. 원형실린더 수중체의 후면에서 발생하는 내부파의 최대 파고와 형상 변화는 내부파 모드의 임계 프루드 수에 영향을 받으며, 자유수면파는 수중체 예인 속도에 따른 프루드 수에 비례하여 중가하는 것을 확인하였다. 이는 포텐셜 유동 기반의 수치해석 결과와도 상당히 잘 일치하였다. 이를 통해, 수중체 후방에서 발생하는 내부파는 내부파 모드의 임계 프루드 수를 기준으로 한 아임계 조건에서 유체 압력의 영향이 지배적임을 확인하였다. 하지만, 초임계 조건에서는 유체 점성의 영향이 지배적이었음을 확인하였다.