기름과 가스 수송 라인 및 선박 내에 설비된 유체 기계들에 관련된 파이프 내에 층상류 흐름이 존재할 수 있다. 이 때문에 수평 혹은 작은 경사 파이프 내에 발생할 수 있는 층상류 흐름을 예측하기 위한 많은 이론과 상관식이 제시되었다. 기존 연구들은 각 상의 물성, 점성, 밀도 및 파이프의 기하학적 형상 등이 층상류 흐름에 주는 효과에 관한 것이 대부분이고, 중력의 크기 및 파이프의 큰 경사 기울기에 관한 연구성과는 매우 드문 실정이다. 따라서 본 연구에는 중력크기 및 파이프 경사도 변화가 층상류 발생 조건에 미치는 영향에 대해 이론적 연구가 수행되었다. 또한 본 해석을 통하여 0.17g 및 0.33g 조건에서는 비록 수직상향 흐름일지라도 매우 낮은 액체상의 유량조건에서는 층상류 흐름이 존재할 수 있음을 알 수 있었다.

대기의 밀도 성층화는 대기 과학적 측면에서 다양한 현상을 유발하는 인자로 인식되어 오고 있다. 대기의 밀도 성층화와 지형의 상호 작용에 의한 현상은 비단 대기 과학적인 관심일 뿐 만 아니라 산악주위를 비행하는 항공기의 갑작스런 부침에도 영향을 미치며 간접적으로는 대기의 온도 역전현상으로 인해 도시 지역에 발생하는 대기 오염물질의 갈색 구름 (brown cloud)의 형성에도 영향을 미친다. 이와 같이 밀도 성층화는 건축, 토목, 환경, 해양, 기계와 관련된 유동에서 매우 중요한 역할을 하는 유동유발 인자이다. 하지만 밀도 성층이 관련된 유동의 해석은 국내에서는 극히 미미한 실정이고 외국에서는 실험을 중심으로 비교적 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 3차원 지형 주위의 밀도 성층 유동 현상을 이해하기 위하여 전산 유체역학을 통한 해석을 수행하였다. 수치 기법으로 가상 경계법을 사용하여 반구(hemisphere)와 3차원 축대칭 언덕(Gaussian hill) 주위 성층유동에 대한 해석을 수행하여 Re 및 Fr 와 장애물의 형상 변화가 유동장에 주는 영향에 대해 중점을 두었다. 한 개의 장애물뿐 만 아니라 2개의 언덕이 주유동 방향으로 배열되어 있을 때 그 거리에 따른 상호작용이 연구되었으며 층류 영역에서 연구가 진행되었다. 연구 결과 Fr<0.4일 때 장애물 후류에서 와흘림이 발생하며 성층이 강해질수록 Re의 효과는 약해지고 와흘림의 성격은 일률화 된다. 특히 Fr=0.2일 때 St의 값이 형상에 조차 의존하지 않고 약 0.19로 수렴하는 결과를 낳았다. 상부로 갈수록 수평단면적이 급격히 감소하는 3차원 언덕의 형상적 특징은 Re를 감소시키는 효과를 발생시킨다. 이런 효과는 비성층 유동에서 잘 나타나고 있으며 같은 Re 임에도 불구하고 3차원 언덕 주위의 유동 현상과 반구 주위의 유동현상이 서로 같지 않은 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 3차원 언덕의 형상적 특징은 강성층에서 높이에 따른 와구조의 위상 변화를 유발한다. 반구의 경우 장애물의 상하부에서 거의 동시에 와류가 활성화되는 반면 3차원 언덕의 경우에는 언덕의 하부보다 상부에서 먼저 와류가 형성됨을 확인하였다.

본 연구에서는 성층화된 수로에서 3차원 hill과 같은 해저지형이 유동장에 미치는 효과를 수치실험을 통해 밝히고자 하였다. 계산결과 hill 주위의 유동장은 지형과 성층의 효과를 복합적으로 받는 것으로 나타났다. hill 배후에서 형성된 칼만와류는 성층효과로 인해 저층에서만 나타났다. 이러한 와류는 hill 중심의 밀도를 감소시켜 성층화된 열염구조를 불안정하게 하는 역할을 하였고 이로 인하여 등밀도선을 따라 흐르는 흐름은 hill 전면의 경우 깊어지는 등밀도선을 따라 하강한 뒤, 그 후면에서는 다시 등밀도선을 따라 상승하는 패턴을 나타내었다. 그 결과 연직유속은 hill의 전면에서는 침강류, 그 후면에서는 용승류가 형성되는 특징을 나타냄과 동시에 수평적으로 보았을 때 hill의 측면을 통해 가장 활발하게 용승이 발생하지만 표층까지 영향을 크게 미치지는 않는 것으로 나타났다.

여름철 홍수기에 저수지 내로 유입한 탁수는 저수지 내부에 밀도차를 발생시키며 내부 성층류를 형성한다. 유입되는 고농도의 탁수층을 선택적으로 배제하거나 응집제 투입를 통한 오탁물질 입자의 침전 또는 탁수 차단망 설치로 방류 탁도를 저감시키기 위해서는 저수지내 성층 유동장에 대한 이해가 요구된다. 본 연구에서는 다양한 형상의 저수지 성층류 해석을 위한 수치해석 프로그램을 개발하였다. 다양한 형상으로의 적용을 위하여 비정렬 격자계를 사용하였으며, 성층류를 고려하기 위하여 Boussinesq 가정에 기초한 N-S 방정식 및 에너지 방정식을 지배방정식으로 사용하였다. 수치해석법의 검증을 위하여 결과가 잘 알려져 있는 2차원 및 3차원 공동 문제, 여러 개의 격벽이 설치된 정수장내 유동 및 댐 붕괴 거동 결과와 비교함으로써 개발된 알고리즘의 타당성을 검증하였다. 이를 통해 저수지 내 탁수 유입시 발생하는 성층류에 대한 수치해석을 시도하여 결과를 검토하였다.

저수지와 같은 갇혀진 수체는 상류에서 유입되는 오염물질 뿐만 아니라 성층현상에 의해서도 오염될 수 있다. 갇혀진 수체에서의 연직순환은 이러한 오염을 줄이는데 중요한 역할을 하는데, 연직순환을 일으키는 인자로는 빛의 입사, 바람, 물의 온도 및 열의 확산 등이 있으며, 그중에서도 가장 중요한 것은 바람의 영향이다. 그러므로 성층화된 흐름에서 바람에 의해 발생하는 연직순환에 대한 수치모형을 개발하고 적용하는 것이 필요하다. 본 연구는 수온성층흐름을 해석할