Effect of Schmidt Number on Cohesive and Non-cohesive Sediment Suspension Modeling

점착성, 비점착성 부유사 모형에 대한 Schmidt 수의 영향

This study aims to investigating the effect of Schmidt number (${\sigma}_c$) on sediment suspension and hydrodynamics calculation. The range of ${\sigma}_c$ is also studied based on the flux Richardson number ($Ri_f$) and gradient Richardson number ($Ri_g$). Numerical experiments are carried out by 1 dimensional vertical model. Both cohesive and non-cohesive sediments are tested under the conditions of pure current and oscillatory flow. The turbulence damping effect due to sediment suspension is examined considering ${\sigma}_c$ as a constant for the damping effect. The results of this study show the consistent effect of ${\sigma}_c$ on sediment suspension regardless of hydrodynamic condition. It is also found that the model overestimates the flow velocity and turbulent kinetic energy when the damping effect is not considered. Under the conditions of $Ri_f$ and $Ri_g$ causing density stratification, it is known that the vertical mixing of sediment is reasonably calculated in the range of ${\sigma}_c$ from 0.3 to 0.5.

본 연구는 Schmidt 수(${\sigma}_c$)에 따른 부유사의 부유 거동 변화 및 흐름 특성의 변화를 살펴본 후, 그에 따라 계산된 성층 흐름의 척도가 되는 Flux Richardson 수($Ri_f$)와 Gradient Richardson 수($Ri_g$)를 근거로 타당한 ${\sigma}_c$의 범위를 산정하는 것을 목적으로 수행되었다. 부유사의 종류를 점착성 유사와 비점착성 유사로 구분하였으며 진동 흐름과 흐름 조건을 가정하고 1차원 연직 수치 모형을 이용하여 수치 실험을 수행하였다. 이 과정에서 ${\sigma}_c$가 난류 감소효과와 관계되는 상수인 것에 근거하여 부유사의 존재로 인한 난류 감소효과 고려 여부에 따른 흐름 특성의 변화를 살펴보았다. 그 결과, 흐름 조건에 관계없이 ${\sigma}_c$의 크기에 따라 부유 거동이 일관된 경향을 나타내는 것이 확인 되었으며 난류 감소효과를 고려하지 않는 경우 유속 및 난류 에너지가 과대 산정 되는 결과가 나타났다. 부유로 인한 성층화 조건을 형성하는 $Ri_f$ 및 $Ri_g$의 범위에 기초하여 결과를 분석하고 ${\sigma}_c$가 0.3에서 0.5의 범위에 해당될 때 성층 흐름 내 유사의 수직 혼합이 유효하게 계산된다는 결론이 도출되었다.