낮은 일관성 도플러 라이더를 통한 먼지 흐름 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4086(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

지표면 근처의 먼지 흐름과 바람 역학의 시각화는 지표면 근처의 지구권과 대기 사이의 혼합과 상호 작용을 이해하는 데 필수적입니다. 일시적인 먼지 흐름을 아는 것은 대기 오염 및 건강 문제를 다루는 데 도움이 됩니다. 지표면 근처의 먼지 흐름은 시간적, 공간적 규모가 작기 때문에 모니터링하기가 어렵습니다. 본 연구에서는 각각 5ms와 1m의 높은 시간적 해상도와 공간적 해상도로 지면 근처의 먼지 흐름을 측정하기 위한 저결맞음 도플러 라이더(LCDL)를 제안합니다. 우리는 풍동으로 방출된 밀가루와 탄산칼슘 입자를 사용한 실험실 실험에서 LCDL의 성능을 보여줍니다. LCDL 실험 결과는 0~5m/s 범위의 풍속에서 풍속계 측정과 잘 일치함을 보여줍니다. LCDL 기술은 질량과 입자 크기에 영향을 받는 먼지의 속도 분포를 밝힐 수 있습니다. 결과적으로 다양한 속도 분포 프로파일을 사용하여 먼지 유형을 결정할 수 있습니다. 먼지 흐름의 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 잘 일치합니다.

바람의 흐름이 복잡한 지표면 근처에서는 먼지 흐름이 활발합니다. 지질학과 지표 대기 사이의 혼합과 상호 작용을 이해하는 것이 중요합니다. 지표면에 쌓인 먼지의 비산은 환경보전뿐만 아니라 호흡기 질환 등 인간의 건강과 도시지역의 인위적 먼지에 의한 대기오염에도 큰 문제가 되고 있다1,2,3. 특히, 하층 대기의 먼지 흐름은 지형과 구조로 인해 복잡해집니다. 현장에서 비산되는 먼지의 거동은 가파르다. 거리 협곡4이라고 불리는 건물 사이의 지역적인 도시 바람을 시각화함으로써 지역의 먼지 흐름 분포를 예측할 수 있으며, 그것이 생활 공간에 미치는 영향을 이해할 수 있습니다. 지표면 대기 근처에서는 산이나 건물과 같은 특정 장애물이 먼지 흐름을 막고 급격하게 변화시킵니다. 반면, 상부 대기에는 장애물이 거의 없으며 먼지 흐름이 다소 점진적입니다. 대기의 바람 흐름은 고도에 따라 달라집니다5. 고도가 높을수록 기포의 질량이 커지고, 수직 상부 대기의 공간적, 시간적 규모가 더 커집니다6. 항공기 이착륙의 안전과 풍력 발전소의 효율적인 제어 관점에서 바람 흐름 측정에 대한 강력한 요구는 수직 상층 대기에 있었습니다7,8. 프로펠러형 풍속계, 라디오존데, 도플러 소다, 도플러 라이더는 바람 측정9,10,11,12에 사용됩니다. 현장 풍속계는 측정 공간에 설치해야 하지만 바람장 자체가 변경될 수 있습니다. 반면, 도플러 소다와 도플러 라이더는 측정에서 바람 정보를 원격으로 획득할 수 있습니다13,14. 장거리 풍장 측정에 효과적입니다15. 도플러 라이더는 공항에 설치되어 대기의 큰 공간적, 시간적 규모에 따라 200m에서 수 킬로미터까지 넓은 측정 범위에 걸쳐 몇 분의 오랜 시간 동안 수직 상층 대기를 측정합니다16,17,18. 나셀에 장착된 도플러 라이더는 풍력 발전소에 설치되어 수평 대기를 측정합니다19. 측정의 공간 분해능은 여전히 ​​수십 미터에 달합니다. 기존의 먼지 샘플러는 일정 기간 동안 먼지를 수집합니다. 그러나 이 방법은 먼지 이동에 대한 실시간 정보를 생성할 수 없습니다. 원격 감지는 측정 중에 바람장이 방해받지 않기 때문에 지상 근처의 먼지를 감지하는 가장 좋은 옵션입니다20,21. 고해상도 및 고속 측정은 지면 근처의 먼지와 에어로졸을 감지하는 데 필수적인 기준입니다. 현재의 기존 도플러 라이더는 낮은 대기가 몇 초와 미터의 작은 공간적, 시간적 규모를 갖기 때문에 지상 근처에서 국지적이고 지속적으로 변화하는 먼지 흐름을 포착할 수 없습니다. 시트 레이저를 사용한 입자 추적 속도계도 사용할 수 있지만 정량적 결과를 제공하지는 않습니다. 어두운 환경에 대한 필요성과 같은 상당한 제한이 있으며 현장 사용에 편리하지 않습니다22,23,24. 본 논문에서는 국소적인 먼지 흐름을 측정하기 위해 각각 1m와 5ms의 높은 공간적 및 시간적 해상도를 갖춘 수평 방향의 낮은 일관성 도플러 라이더(LCDL)를 개발합니다. LCDL은 일종의 저결맞음 광간섭계입니다. 참조 경로와 측정 경로 사이의 광 경로 길이의 차이가 간섭 길이와 일치할 때만 간섭 신호가 얻어집니다. 또한 분진 흐름의 급격한 변화를 모니터링하기 위해 통합 시간을 밀리초로 단축하여 고속 측정이 가능합니다. 본 논문의 목적은 (1) 개념 LCDL 시스템을 설계 및 개발하고, (2) LDCL 시스템의 성능을 검증하고, (3) 이 방법을 다양한 산란체에 적용하고 산란체의 속도 분포를 평가하는 것입니다.