Model of internal wave generation near a shelf slope

Abstract

대륙붕을 포함한 원근해역에서의 인터널웨이브(Internal Wave)에 대한 이론적 해석은 조선, 해양, 환경 및 기상 분야 등에서 큰 관심의 대상이며 현재 러시아, 미국, 일본 등을 중심으로 관련 연구가 진행 중에 있다. 특히 조선해양분야에서는 깊은 바다 속에서 발생하는 인터널웨이브 속을 항해하기위한 잠수함이나 해저탐사선 등의 개발연구에서 유용한 유체역학적 자료를 도출함으로써 향후 이에 대한 활용가능성 및 학문적 가치는 대단히 높다. 본 논문은 직육면체 형상의 대륙붕(Shelf)을 대상으로, 여기에 속도 0.6m/sec, 주기 12.4시간의 해류(Tide)가 유입할 때, 대륙붕 주위의 해역에서 발생하는 인터널웨이브(Internal Wave)를 해양유한요소법(Ocean Finite Element Method)을 이용하여 이론적으로 계산, 분석한다. 즉, k-ε 난류모델과 Neumann, Flather, Orlanski 등의 경계조건식 및 Petrov-Galerkin법에 의하여 수평수직 차분근사(Horizontal and Vertical Differrencing Approximation)가 가능한 4면체 그리드(tetrahedron grid)를 기저로 하는 해양유한요소 모델링을 통하여 지배방정식인 3차원 Non-Hydrostatic Navier-Stokes 방정식을 수치해석적으로 풀어서 시간의 경과에 따른 밀도, 염도, 온도, 압력 및 난류에너지 등의 변화량과 이에 따른 인터널웨이브의 해석데이타를 도출한다. 본 해석결과를 기존 발표자료의 이론해석치 및 실험치와 비교한 결과, k-ε 난류모델 및 4면체 그리드(tetrahedron grid)를 기저로 하는 해양유한요소법은 대륙붕 주위의 인터널웨이브 해석에 효율 및 정도가 좋음을 확인할 수 있었다. 즉, 본 연구에서 도출한 인터널웨이브의 발생 상태, 전체적 전파 경향, 진폭 및 주기의 값 등은 Safray A. S. & Tkatchenko I. V.(2001)의 OFEM 수치해석치와 잘 일치하였으며, 또한 인터널웨이브의 진폭에 대해서는 Small et al.(1999)의 계산 및 실험 결과치에서 제시하고 있는 범위를 만족하고 있다. 본 연구에 의한 수치해석 결과, 대륙붕 해저에서 발생하는 인터널웨이브의 파장은 15,000~20,000 m, 파고 40~70 m, 진폭 20~35 m이며 그리고 파의 이동속도(Phase Velocity)는 약 0.9m/sec로 산출되었으며, 또한, 인터널웨이브는 발생 후 약 70시간이 경과하면 진폭이 감소하고 주기가 거의 일정하게 되는 안정적 거동으로 변모하였다. 염도(Salinity), 밀도, 온도 등은 대륙붕의 모서리부근, 육안부근 및 심해부근으로 구분한 각 부분의 형상과 밀접한 특성을 보였으며 또한, 염도 등의 등위선(iso-line)은 속도벡터가 와류를 이루는 영역에서 만곡형상으로 변모하였다. 이 외에 본 수치해석에서 사용된 관련이론의 기본정의 및 개요는 1장과 2장에, 그리고 Boundary Condition 및 격자형성 관련 Petrov-Galerkin법을 포함한 기타 관련 이론 등에 대해서는 부록에 별도 정리하였다. 향후 본 이론계산법의 실용성을 강화하기위해서는 복잡한 형상의 대륙븅 모델 및 실제 형상을 대상으로 한 일련의 수치계산 과정과 이를 이용한 다양한 실험치와의 비교 연구 등이 필요하며 또한, 계산결과를 보다 다각적으로 검토, 분석할 수 있는 드로잉 소프트웨어(Drawing Software)의 보강이 필요하다.