Physical Factors: Mixing and Flow 201482245 박선연

Mixing 과 Flow ? Mixing: 혼합, 섞기 뒤섞여 합함. 지향성 운동이 없는 인접한 볼륨사이의 구성성분 또는 유체의 교환 Flow: 흐름 액체 또는 기체의 각 부분이 시간과 함께 연속적으로 그 위치를 이동하는 현상. 횡단면을 통한 유체의 순이동 수중 생태계의 중요한 측면!!

Mixing and flow influence all scales of natural costal ecosystem processes Global scale Flow: 지구의 생태계를 통해 열과 영양소 유속을 이동 Mixing: 독립된 생태계에 중요한 영향을 미침 → Gulf stream 멕시코만류 Small scale 전단의 상대운동에 따라 미생물은 영향을 받음 – Mixing 강도와 관련 → Kolmogorov microscale Intermediate scale 혼합되는 어귀의 단면 Flow와 Mixing은 담수와 해수가 교류하는 하구와 연안수에 결정적 * Kolmogorov microscale: 난류에너지 스펙트럼 중 평형범위에 해당하는 높은 파수와 점성 감쇄에 기인한다는 펴형이론에 기초한 미세구조 길이단위

Mixing is accomplished through turbulent eddies 난류에너지가 큰 규모에서 발생하여 작은 규모를 향하여 어떻게 이동하는지 설명. E는 큰 소용돌이에 상응하는 낮은 파수에서 높음 → 소용돌이의 크기는 파수의 반대에 일치 큰 소용돌이와 작은 소용돌이의 중간 범위를 “관성 아영역” 이라 부르며, log-log plot에서 -5/3 기울기를 특징으로 함 - Mixing은 너무 적어도, 많아도 문제. 너무 많은 mixing은 생물이 환경에 순응하는 단계보다 더 많은 에너지를 발생, 생물 손상.

The relative important of mixing and flow changes in pelagic and benthic environments 원양환경(Pelagic environment) : Mixing > Flow 생물과 Water column에 중요 Turbulent mixing energy에 의한 물리적 방해, 피식자-포식자의 충돌율, 용해된 영양소와 산소에 접근. 저서환경(Benthic environment) : Mixing < Flow 바닥의 동.식물에 음식, 영양소, 산소 전송 Mixing은 바닥 Flow에 의해 발생 → 바닥의 거칢에 영향을 받음. 바닥이 매끄러울때 확산경계층(Diffusive boundary layer)은 퇴적물-수층 경계면 위에 존재. DBL의 두께: Water column과 침전물 사이의 용해된 물질의 유동을 조절 DBL의 두께는 flow의 강도에 반비례

There are important turbulent mixing scales to be considered in mesocosm design 원양환경(Pelagic environment): Tm, URMS, ε, I, Kz, ηk Parameter Name Description Re 레이놀드 수 점성력에 대한 관성력의 비율 속도규모 x 길이규모 / 점도 Tm Mixing time 추적자를 투입하는 지점에서 균질화되는 시간 URMS 난류 강도의 제곱평균 Water column에서 특징적인 난류속도 ε 난류에너지 소멸율 점도와 전단에 의한 난류에너지의 파괴율 l 적분 길이 척도 큰 소용돌이의 크기 Kz 수직 소용돌이 확산율 확산계수는 난류로 인한 강화된 수직 mixing을 대표한다 ηk Kolmogorov microscale 가장 작은 난류 소용돌이의 크기

저서환경(Benthic environment): u*, Ū, Kb, δD ⇒ 다양한 변수는 많은 환경에서 사용할 수 있으며, 실험적 생태계에서 원양과 저서 환경에 중요한 변수를 일치시키는 것은 어렵지만 불가능 하지는 않다 Parameter Name Description u* 전단 속도 (τ/ρ)1/2, τ는 바닥 전단응력, ρ는 물의 밀도 경계층에서 특징적인 속도규모 Ū 평균 흐름속도 시간 평균 흐름속도 Kb 바닥 거칠기 생물의 유효 높이 또는 바닥의 하상지형 δD 확산 경계층의 두께 침전물-수층 유동을 조절하는 층의 두께

Mixing can have a variety of effects on organisms and ecosystems 유광층에 유지되는 세포 증가 → 저서 영양소에 접근하는 식물플랑크톤 증가 세포 주변 확산기울기 감소 Copepod 배설 비율 증가 → 일차생산성 증가 가능성 침전물 재부유로 탁도 증가 → 일차생산성 감소 광합성과 호흡 사이의 균형 방해

There are many different ways to mix experimental ecosystems 회전 패들(Rotating paddle) 균일한 mixing 부분적 mixing 젓기 촉진 진동식 그리드(Oscillating grid) 특징이 잘 알려져 있어 사용하기 쉬움 전제 젓기 없이 난류 에너지의 큰 공간적 경사도 생성 기포(Air bubbling) 혼합시간과 혼합강도를 정량화하기 쉬움 but, 용해된 가스 높은 농도 야기 연약한 생물 손상 * in-situ CEPEX enclosures - 생태계의 기능 및 오염물질에 대한 생태계의 반응을 이해하는데 사용 수직 혼합이 이루어지지 않는 결함 → 충분한 mixing이 이뤄지지 않음

Experimental benthic systems require special methods for mixing and flow 실험적 저서 생태계에서 중요한 Mixing 변수: u* (전단속도) 난류와 mixing을 발생시키는 바닥 위의 water flow를 규제 ← 환형도랑: 수면과 접하여 회전하는 상부링의 마찰력에 의해 flow 형성 – 시간 제약 없이 흐름 조건 동일하게. But, 바닥 전단응력 불균일 MEERC 실질적 mixing과 바닥 전단 발생을 개발하기 위해 노력. 1 톤 원양 탱크와 water column을 환형도랑에 연결 → 연결이 어렵고, 비싸고, 작동하기 어려움 - 3개의 1톤 탱크 2세트를 설계하여 저서-원양 생태계 연구에서 침전물의 재부유와 저서 교환의 효과 연구 → 사용하기 쉽고, 비싸지 않음

Principles from engineering studies are useful guides for designing mixing system → 공학적 경험과 기술 유용 MEERC 원양-저서 Mixing system 탱크 직경에 대한 mixing paddle 지름의 최고 비율 Paddle 간격 표면 위, 아래의 최적의 paddle 간격 석고용해율(Gypsum dissolution rate)과 탱크의 mixer RPM 사이의 관계는 화학적 문헌 참고

Mixing and flow must be quantified in experimental ecosystem 생태계 구조와 기능에 대한 효과는 실험적 생태계에서 레벨과 분포를 정량화 하는 것이 중요 Mixing 시간과 flow pattern 측정: tracer 추적자 사용 MEERC scale 모델: 식품 착색제 염료 Full-scale: 형광 염료(Rhodamine-WT) – 탱크의 다양한 위치에 염료를 투입하여 혼합된 탱크의 시간 측정 Marsh mosocosm: bromide – 퇴적물을 통해 지하수의 flow rate 측정

There are various methods for quantifying mixing and water flow 음향 도플러형 속도계(Acoustic Doppler velocity) - 음파의 도플러효과를 이용하여 유속의 프로파일을 얻기 위해 개발된 유속 관측장치 작은 시료의 x, y, z 크기에서 속도성분을 측정하기 쉬운 도구 즉각적인 측정으로 평균 흐름과 난류 변동 계산 가능 → 난류 운동 에너지 소멸율, 난류 강도 정량화에 사용 핫 필름 유속계(Hot film anemometers) 저서 환경에서 바닥의 전단속도 측정에 사용 열 손실 비율 측정 확산 경계층DBL과 전단속도는 반비례 센서를 벽에도 사용가능 → water column에서 벽으로 가는 확산 전송과정 정량화 가능

Gypsum dissolution can be used in some circumstances 직접 flow을 측정하는기술: 덜 비싸지만, 유체역학에 대한 교육이 필요 석고 용해(Gypsum dissolution): flow의 변화에 대해 평균속도와 변동에 의해 정상류가 속도 분야에서 우세한지 어떤지 측정 석고 용해율은 난류 강도에 비례 정상류는 난류 강도에 대한 동요 흐름보다 덜 용해

Thank You