[논문]CFD 모형을 이용한 도시 도로 협곡에서의 흐름 체계 분류

김재진; 백종진

CFD 모형을 이용한 도시 도로 협곡에서의 흐름 체계 분류
Classification of Flow Regimes in Urban Street Canyons Using a CFD Model 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.21 no.5, 2005년, pp.525 - 535

김재진 (서울대학교 기후환경시스템연구센터) , 백종진 (서울대학교 지구환경과학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Using a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model with the $k-{\varepsilon}$ turbulence closure scheme based on the renormalization group theory, flow regimes in urban street canyons are classified according to the building and street aspect ratios. The transition between skimming flow (SF) and wake interference flow (WIF) is determined with the size of double-eddy circulation generated behind the upwind building. The transition between WIF and isolated roughness flow (IRF) is determined with the flow reattachment distance from the upwind building. The critical aspect ratios at which the flow transition occurs are found and compared with those in previous studies. The results show that the flow-regime classification method used in this study is quite reasonable and that the values of the critical aspect ratios are generally consistent with those in fluid experiments or large-eddy simulation. The regression equation describing a relation between the building and street aspect ratios at the flow-regime transition is presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 도시 지역에서의 흐름과 확산에 결정적인 요소인 건물에 의한 효과를 적절하게 모수화하고 주어진 조건(주변 풍향, 건물 외 관비 등)에서의 대기 흐름이나 이에 의한 오염/유해 물질의 수송 특성을 가늠할 수 있어야만 실제 상황에서 즉각적인 대응이 가능하다. 본 연구는 유체 역학적인 관심사와 함께 이와 같은 취지에서 시작한 것으로 여기서는 도시 도로 협곡에서의 흐름을 결정하는 주요 요소 중의 하나인 외관비에 따른 흐름 체계를 분류하고자 한다.

가설 설정

8. (a) Threshold aspect ratios and (b) regression curves at which the transitions between flow regimes occur.
이 방법에 의하면 SF에서 WIF로의 전이가 일어날 때의 외관비는 도시 도로 협곡의 높이와 이중 에디 순환 크기의 비가 된다. 그리고 Hunter et al. (1992)^* WIF에서 IRF로의 전이는 z = 0.45H에서 조사한 尤-y 평면에서의 바람 벡터장에서 바람 방향과 주변 바람 방향과의 차이가 10° 이하인 지점에서 일어난다고 가정하였다.
그들은 도시 도로 협곡에서 형성되는 이중 에디 순환의 크기가 일정 정도의 크기로 제한된다는 가정 하에서 흐름 체계를 분류하였다. 즉, 이중 에디 순환의 크기는 풍상측 건물로부터 이중 에디 순환 중심까지 거리의 두 배라고 가정하였다(그림 la). 이 방법에 의하면 SF에서 WIF로의 전이가 일어날 때의 외관비는 도시 도로 협곡의 높이와 이중 에디 순환 크기의 비가 된다.

제안 방법

그림 3은 모형 계산 도면이다. 건물 높이 (H = 20 m)와 건물 너비 (모형 경 계로부터의 너비 =20m)는 일정하고 건물 길이 (L)가 다른 7 경우(UH = 1, 2, 3, 4, 5, 6, T)를 고려하였다. 격자 간격은 X, y, z 방향 모두 2 m이고 *와 z방향의 cell 개수는 각각 121개와 31개 이다.
계산 유체 역학 모형을 이용하여 도시 도로 협곡에서 건물 외관비와 도시 도로 협곡 외관비에 따른 흐름 체계를 분류하였다. 흐름 체계를 조사하는 두 가지 방법 중에서 계산 시간을 크게 절약할 수 있는 방법을 선택하였고 이를 보완하여 이용하였다.
이 알고리즘에서는 매 수치 적분 단계에서 가정된 압력장 하에서 임시적인 바람 성분(수평 및 연직)을 구한다. 그리고 바람장의 조정을 통하여 질량 보존방정식을 만족시키는데 필요한 압력 편차량를 계산한다. 이와 같이 계산된 압력 편차량으로부터 바람 성분의 편차량을 구하고 마지막으로 바람장과 압력장을 계산한다.
따라서 본 연구에서는 계산 시간을 많이 절감하기 위해서 Hunter 1992)이 제안한 방법을 사용하되 이를 수정하고 보완하여 흐름 체계를 분류하였다. SF에서 WIF로의 전이는 이중 에디 순환의 크기에 의하지 만 고도에 따른 평균한 값을 이용하였다.
풍상측 건물 후면에서 형성되는 흐름이 풍하측 건물에 의해 교란 되지 않도록 도시 도로 협곡 너비(W)를 충분히 크게 설정하였다(w= 10/7). 시간 간격을 0.1 초로 하여 2, 400초까지 모형을 수치 적분하였다. 바람, 난류 운동 에너지 그리고 난류 운동 에너지의 소멸율에 대한 유입 경계 조건은 다음과 같다.
풀었다. 이 알고리즘에서는 매 수치 적분 단계에서 가정된 압력장 하에서 임시적인 바람 성분(수평 및 연직)을 구한다. 그리고 바람장의 조정을 통하여 질량 보존방정식을 만족시키는데 필요한 압력 편차량를 계산한다.
그리고 바람장의 조정을 통하여 질량 보존방정식을 만족시키는데 필요한 압력 편차량를 계산한다. 이와 같이 계산된 압력 편차량으로부터 바람 성분의 편차량을 구하고 마지막으로 바람장과 압력장을 계산한다. 그림 2는 유한 차분을 위한 격자 구조와 제 어 공간 (control volume)을 나타낸다.
이중 에디 순환의 크기를 이용하여 skimming flow (SF)에서 wake interference flow (WIF)로의 흐름 전이가 일어나는 외관비를 결정하였고 흐름 재부착이 일어나는 거리를 이용하여 WIF에서 isolated roughness flow (IRF)로의 흐름 전이가 일어나는 외관비를 결정하였다. 이중 에디 순환의 크기는 시간에 따라 그리고 높이에 따라 그 크기가 일정하지 않았고 흐름 재부착이 일어나는 거리도 시간에 따라 일정하지 않았기 때문에 이를 평균한 크기와 거리를 이용하였다. SF에서 WIF로의 흐름 전이가 일어나는 외관비의 경우 풍동 실험에 기초한 선행 연구 결과와 매우 잘 일치하였다.
흐름 체계를 조사하는 두 가지 방법 중에서 계산 시간을 크게 절약할 수 있는 방법을 선택하였고 이를 보완하여 이용하였다. 이중 에디 순환의 크기를 이용하여 skimming flow (SF)에서 wake interference flow (WIF)로의 흐름 전이가 일어나는 외관비를 결정하였고 흐름 재부착이 일어나는 거리를 이용하여 WIF에서 isolated roughness flow (IRF)로의 흐름 전이가 일어나는 외관비를 결정하였다. 이중 에디 순환의 크기는 시간에 따라 그리고 높이에 따라 그 크기가 일정하지 않았고 흐름 재부착이 일어나는 거리도 시간에 따라 일정하지 않았기 때문에 이를 평균한 크기와 거리를 이용하였다.
따라서 모형 계산 영역 크기는 X와 z방향은 각각 240 이와 60 m이고 y 방향은 LIH가 1 일 때 100m이고 L/H가 7일 때 220 m이다. 풍상측 건물 후면에서 형성되는 흐름이 풍하측 건물에 의해 교란 되지 않도록 도시 도로 협곡 너비(W)를 충분히 크게 설정하였다(w= 10/7). 시간 간격을 0.
체계를 분류하였다. 흐름 체계를 조사하는 두 가지 방법 중에서 계산 시간을 크게 절약할 수 있는 방법을 선택하였고 이를 보완하여 이용하였다. 이중 에디 순환의 크기를 이용하여 skimming flow (SF)에서 wake interference flow (WIF)로의 흐름 전이가 일어나는 외관비를 결정하였고 흐름 재부착이 일어나는 거리를 이용하여 WIF에서 isolated roughness flow (IRF)로의 흐름 전이가 일어나는 외관비를 결정하였다.

데이터처리

SF에서 WIF로의 흐름 전이가 일어나는 외관비의 경우 L/H= 1인 경우를 제외하고는 Oke(1988)의 결과와 거의 일치하며 Hunter * 溯 ( 1992)의 수치 실험 결과에 비해 많이 향상되었음을 알 수 있다. 흐름 전이가 일어날 때 외관비 사이의 관계식을 회귀 분석을 통해 구하였다.

이론/모형

유입 경계에서 x 방향의 속도 성분 U는 식 (12)의 형태로 일정한 속도로 유지되고 y 방향의 속도 성분 V와 z 방향의 속도 성분 W는 항상 0으로 유지된다. 난류 운동 에너지와 그 소멸율의 유입 경계 조건은 Castro and Apsley(1997)를 참고하였다.
이 지역에서 벽 함수는 로그법칙으로 표현되고 시어 스트레스나 열속 등을 계산하는데 사용된다. 벽 함수 표현 방정식은 매우 다양하지만 본 연구에서는 가장 최적화되고 보편화된 형태의 벽 함수(Versteeg and Malalasekera, 1995)를 사용하였다(표 1).
본 연구에서 '사용한 CFD 모형은 재규격화 군 이론에 근거한 卜£ 난류 모형 (Yakhot a a/., 1992)을 포함한다. 이 난류 모형 이 표준 卜£ 난류 모형 과 다른 점은 비선형 응력변형율(strain rate)을 고려하기 위해 난류 운동 에너지 소멸율 방정식에 소실 항을 추가하고 모형의 경험 상수값을 다르게 사용한다는 점이다.
본 연구에서 사용한 CFD 모형은 Kim and Baik(2004)이 사용한 것과 같다. 3차원, 비정수, 비회전, 비압축 흐름 계에서 레이놀즈 평균한 운동량 방정식, 질량 연속 방정식은 다음과 같다.
지배 방정식 계를 엇갈림 격자계에서 유한 체적법(finite volume method)과 Patankar (1980)7} 제안한 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 알고리즘을 이용하여 수치적으로 풀었다. 이 알고리즘에서는 매 수치 적분 단계에서 가정된 압력장 하에서 임시적인 바람 성분(수평 및 연직)을 구한다.

성능/효과

y 방향의 cell 개수는 UH가 1 일 때 51개이고 UH가 7일 때 111개 이다. 따라서 모형 계산 영역 크기는 X와 z방향은 각각 240 이와 60 m이고 y 방향은 LIH가 1 일 때 100m이고 L/H가 7일 때 220 m이다. 풍상측 건물 후면에서 형성되는 흐름이 풍하측 건물에 의해 교란 되지 않도록 도시 도로 협곡 너비(W)를 충분히 크게 설정하였다(w= 10/7).

후속연구

특히 911 참사 이후에는 사람들이 매우 붐비는 도심 지역이나 경기장 주변에서 자행될 수 있는 가상적 생화학적 테러 상황에 대비해서 CFD 모형을 이용하여 각각의 시나리오에 대한 대응 방안을 마련하고 피해를 극소화하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 CFD 모형은 최근에 부각되고 있는 새집증후군이나 작업장환경 등 실내 대기 환경문제를 해결하고 지하철 화재 발생시의 대처 방안을 마련하는데 이용될 수 있다.
본 연구에서는 외관비에 따른 흐름 체계의 전이를 파악하는데 초점을 맞추었기 때문에 각 흐름 체계에서 오염/유해 물질의 거동에 대한 조사는 이루어지지 않았다. 이에 대한 연구를 수행할 예정이다.
않았다. 이에 대한 연구를 수행할 예정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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