수치해석을 통하여 이어도 종합해양과학기지 구조물이 대기 유동에 미치는 영향을 분석하였고, 이 결과를 바탕으로 과학기지에 설치된 풍속센서에서의 측정값 오차를 평가하는 연구를 수행하였다. 과학기지 형상을 3차원으로 모델링하였고 수치해석을 위한 격자를 생성하여, Navier-Stokes 방정식 및 난류모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 선정된 자유류의 풍속과 풍향 조건에 대하여 과학기지 구조물에 의해 변화된 유동장을 계산하고, 실제 풍속센서가 설치된 위치에서의 풍속/풍향 정보와 자유류를 비교하였다. 이를 통하여 자유류 방향 및 측정 위치에 따른 데이터의 정확도와 신뢰할 수 있는 데이터 범위를 알아보았다. 본 연구 결과로 관측된 해상풍 데이터의 구조물 간섭에 의한 오차 범위를 정량적으로 파악할 수 있었으며, 과학기지가 위치한 지점의 정확한 해상풍 데이터 제공을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
수치해석을 통하여 이어도 종합해양과학기지 구조물이 대기 유동에 미치는 영향을 분석하였고, 이 결과를 바탕으로 과학기지에 설치된 풍속센서에서의 측정값 오차를 평가하는 연구를 수행하였다. 과학기지 형상을 3차원으로 모델링하였고 수치해석을 위한 격자를 생성하여, Navier-Stokes 방정식 및 난류모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 선정된 자유류의 풍속과 풍향 조건에 대하여 과학기지 구조물에 의해 변화된 유동장을 계산하고, 실제 풍속센서가 설치된 위치에서의 풍속/풍향 정보와 자유류를 비교하였다. 이를 통하여 자유류 방향 및 측정 위치에 따른 데이터의 정확도와 신뢰할 수 있는 데이터 범위를 알아보았다. 본 연구 결과로 관측된 해상풍 데이터의 구조물 간섭에 의한 오차 범위를 정량적으로 파악할 수 있었으며, 과학기지가 위치한 지점의 정확한 해상풍 데이터 제공을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
The influence of leodo Ocean Research Station structure to surrounding atmospheric flow is carefully investigated using CFD techniques. Moreover, the validation works of computational results are performed by the comparison with the observed data of leodo Ocean Research station. In this paper, we pe...
The influence of leodo Ocean Research Station structure to surrounding atmospheric flow is carefully investigated using CFD techniques. Moreover, the validation works of computational results are performed by the comparison with the observed data of leodo Ocean Research station. In this paper, we performed 3-dimensional CAD modelling of the station, generated the grid system for numerical analysis and carried out flow analyses using Navier-Stokes equations coupled with two-equation turbulence model. For suitable free stream conditions of wind speed and direction, the interference of the research station structure on the flow field is predicted. Beside, the computational results are benchmarked by observed data to confirm the accuracy of measured date and reliable data range of each measuring position according to the wind direction. Through the results of this research, now the quantitative evaluation of the error range of interfered gauge data is possible, which is expected to be applied to provide base data of accurate sea surface wind around research stations.
The influence of leodo Ocean Research Station structure to surrounding atmospheric flow is carefully investigated using CFD techniques. Moreover, the validation works of computational results are performed by the comparison with the observed data of leodo Ocean Research station. In this paper, we performed 3-dimensional CAD modelling of the station, generated the grid system for numerical analysis and carried out flow analyses using Navier-Stokes equations coupled with two-equation turbulence model. For suitable free stream conditions of wind speed and direction, the interference of the research station structure on the flow field is predicted. Beside, the computational results are benchmarked by observed data to confirm the accuracy of measured date and reliable data range of each measuring position according to the wind direction. Through the results of this research, now the quantitative evaluation of the error range of interfered gauge data is possible, which is expected to be applied to provide base data of accurate sea surface wind around research stations.
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문제 정의
자유류에서 해상풍의 연직분포에 대해 고려하였으며, 실제 크기의 과학기지 모델에 대해 2가지 속도, 12방위에 대한 수치실험을 수행하였다. 3차원 유동 해석을 통하여 이어도 과학기지에 설치된 5개의 풍속 측정 센서 위치에서 자유류가 구조물에 의해 어느 정도의 간섭을 주는지 정량적으로 파악하고자 하였다. 그리고 정확한 데이터 도출을 위해 풍향에 따라 사용 가능한데이터를 제공하는 풍속 센서를 선정하고자 하였다.
3차원 유동 해석을 통하여 이어도 과학기지에 설치된 5개의 풍속 측정 센서 위치에서 자유류가 구조물에 의해 어느 정도의 간섭을 주는지 정량적으로 파악하고자 하였다. 그리고 정확한 데이터 도출을 위해 풍향에 따라 사용 가능한데이터를 제공하는 풍속 센서를 선정하고자 하였다.
본 논문에서는 수치해석을 통해 이어도 종합해양과학 기지의 간섭에 의한 해상풍관측 오차를 알아보았다. 2가지 자유류 속도와 12방위에 대하여 3차원 유동해석을 수행하였으며 , 실제 풍속 측정 센서가 설치된 5곳에서 기지 간섭으로 변화된 속도 및 풍향을 측정하였다.
본 논문에서는 이어도 종합해양과학기지가 주위 해상 풍에 미치는 영향을 수치적으로 연구하였다. 자유류에서 해상풍의 연직분포에 대해 고려하였으며, 실제 크기의 과학기지 모델에 대해 2가지 속도, 12방위에 대한 수치실험을 수행하였다.
이어도 과학기지는 장비설치를 위한 하부 데크(Cellar deck)와 주거 및 실험을 위한 주 데크(Main deck) 그리고 헬리콥터 이착륙장(Heliport)을 비롯하여 여러 개의 데크 구조로 이루어져 있으며, 여기에 여러가지 관측 장비들이 설치되어 있다. 본 연구에서는 격자생성의 효율성을 위하여, 유동해석에 크게 영향을 미치지 않는 범위에서 부분적으로 .복잡한 형상을 단순화시켰다.
이어도에 건설된 다목적 종합해양과학기지에서는 주위 대류 및 해류의 데이터 수집을 통해 기상, 해양, 어장예보를 위한 기초 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그런데 이어도 과학기지의 크기가 매우 크기 때문에 주위의 대기 유동 흐름에 영향을 주게 되고, 과학기지에 설치된 해상풍관측 센서는 구조물에 의한 간섭을 받은 데이터를 도출하게 된다.
따라서 풍동 실험에서는 실제 모델과 같은 축소모델을 사용하였으나, 본 연구에서의 모델은 수치해석을 위하여 부분적으로 간략화 시켜 Intermediate deck의 handrail을 포함시키지 않았으므로 위와 같은 차이가 나게 된다. 하지만 실제 괴학기지에 설치되어있는 센서의 위치는 Intermediate deck과 같은 높이에 설치가 되어 있으므로 handrail의 영향보다는 deck에 의한 유동변화가 지배적이므로 위의 그림에서 보듯이 수치해석 결과가 신뢰할 만하다고 하겠다.
가설 설정
7. Definition of wind direction.
제안 방법
복잡한 기지 구조물의 형상으로 인하여 해석영역 10 km(x) Xi km(y) 0km(z)은 210만개의 격자, 360개의 블록으로구성되었다. 계산영역이 크기 때문에 효율성을 고려하여구조물을 둘러싼 40 m(x)x48 m(y)x50 m(z) 크기의 작은내부격자를 90만개의 격자로 생성하였고, 상대적으로 정밀한 계산이 필요 없는 외부격자는 120만개의 격자를 사용하여 내부와 외부격자를 patched grid 기법으로 연결하였다(Fig. 2, Fig. 3).
본 논문에서는 수치해석을 통해 이어도 종합해양과학 기지의 간섭에 의한 해상풍관측 오차를 알아보았다. 2가지 자유류 속도와 12방위에 대하여 3차원 유동해석을 수행하였으며 , 실제 풍속 측정 센서가 설치된 5곳에서 기지 간섭으로 변화된 속도 및 풍향을 측정하였다. 해상풍 데이터는 해상풍이 바로 마주 불어오는 방향에 위치한 센서에서 가장 정확한 값을 예측하며, Roof에 설치되어 있는 센서 5에서는 풍향에 관계없이 비교적 정확한 자유류를 예측하였다.
과학기지모델의 표면은 점착조건(no-slip condition)을사용하였으며, 유입류는 속도를 고정하고 압력을 외삽하였으며, 유출류의 경우에는 배압을 고정하고 속도를 외삽하였다. 여기에서 유입류 속도의 경우 API 기준에 따른 해상풍의 연직 속도분포(서울대학교, 1991; 서울대학교, 1992)를 사용하였으며 , 4.
한편 이어도 과학기지가 주변 해상풍에 미치는 영향이 실험적으로 연구되기도 하였다(해양수산부, 2002;심 등, 2003). 그러나 실험 적인 어려움으로 해상풍의 연직분포를 고려하지 못하였으며, 축소모형 실험 후 실제 과학기지와 해상풍 크기에 대해 복원식을 사용한 결과를 도출하였다.
수렴된 해석 결과에서 생성된 격자계가 경계층을 잡아내기에 충분하므로 수치해석 결과를 신뢰할 수 있음을 알 수 있다. 또한 질량보존식의 수치오차가 io-4 이하로 떨어지면 충분히 타당한 결과를 내었으므로, 이후의 수치해 석에서 칠량보존식의 수치오차가 10 이하가 되는 것을 수렴조건으로 설정하였다.
본 연구에서는 격자생성의 효율성을 위하여, 유동해석에 크게 영향을 미치지 않는 범위에서 부분적으로 .복잡한 형상을 단순화시켰다. 3차원 모델링이 끝난 뒤의 최종 형 상은 Fig.
어도 해양과학기지의 3-D 모델과 격자의 질을 점검하고, 수치해석의 검증을 위하여 수행을 하였다. 풍동실험의 경우 실제 속도의 수직분포대신 uniform flow상황에서 1/80 축소모델로 실험을 하였고, 속도 측정 지점 3과 4, 에서의velocity magnitude와 자유류(12 m/s)의 비를 사용하였다.
유동 변화 분석에 사용된 값은 앞서와 같이 각 센서가 설치된 높이에서의 자유류 값이고, 각 실제 센서 위치에서 측정되는 수치해석 결과 값과 비교하여 구조물에 의한 유동의 변화정도를 알아보았다.
이를 통하여 바람의 방향에 따른 이어도 과학기지에 의한 자유류 유동 변화를 시뮬레이션 할 수 있었고, 각각의 측정 위치에서 변화된 바람의 속도를 측정하였다. 유동변화의 비교에 사용된 속도 값들은 실제 이어도 과학 기지에 설치되어 있는 바람 측정 센서 1~5의 고도에 맞는 자유류의 속도값을 사용하였고, 이 값과 수치해석을 통해 얻어진 이어도 과학기지에 의해 변화된 속도값의 비를 분석해 보았다.
유입류에서식 (6)의 연직 속도분포를 사용하였으며, 360도 12방위로 유동해석을 수행하였다. 이를 통하여 바람의 방향에 따른 이어도 과학기지에 의한 자유류 유동 변화를 시뮬레이션 할 수 있었고, 각각의 측정 위치에서 변화된 바람의 속도를 측정하였다.
유입류의 경계조건으로 고정시켜 사용하였다.
해상 10 m 높이에서 풍속조건 12m/s와 30 m/s일 때, 각각 case 1과 case 2로 하였다. 이때 30도 간격으로 12방위의 자유류 조건에서 각 바람 측성 센서의 정확도를 판단하기 위한 해석을 수행하였다. 이를 정리하면Table 2와 같다.
유입류에서식 (6)의 연직 속도분포를 사용하였으며, 360도 12방위로 유동해석을 수행하였다. 이를 통하여 바람의 방향에 따른 이어도 과학기지에 의한 자유류 유동 변화를 시뮬레이션 할 수 있었고, 각각의 측정 위치에서 변화된 바람의 속도를 측정하였다. 유동변화의 비교에 사용된 속도 값들은 실제 이어도 과학 기지에 설치되어 있는 바람 측정 센서 1~5의 고도에 맞는 자유류의 속도값을 사용하였고, 이 값과 수치해석을 통해 얻어진 이어도 과학기지에 의해 변화된 속도값의 비를 분석해 보았다.
이어도 해양과학기지 구조물에 의한 자유류의 유동변화에 대한 다음 case로, 30 m/s의 자유류 경우에 대하여 수치해석을 하였다. case 1의 경우와 마찬가지로 API 기준에 따른 수직 속도분포를 사용하였고, 해발 10 이에서 30 m/s의 자유류 속도를 갖는다고 가정하였을 때 높이에 따른 속도분포는 다음과 같다.
본 논문에서는 이어도 종합해양과학기지가 주위 해상 풍에 미치는 영향을 수치적으로 연구하였다. 자유류에서 해상풍의 연직분포에 대해 고려하였으며, 실제 크기의 과학기지 모델에 대해 2가지 속도, 12방위에 대한 수치실험을 수행하였다. 3차원 유동 해석을 통하여 이어도 과학기지에 설치된 5개의 풍속 측정 센서 위치에서 자유류가 구조물에 의해 어느 정도의 간섭을 주는지 정량적으로 파악하고자 하였다.
어도 해양과학기지의 3-D 모델과 격자의 질을 점검하고, 수치해석의 검증을 위하여 수행을 하였다. 풍동실험의 경우 실제 속도의 수직분포대신 uniform flow상황에서 1/80 축소모델로 실험을 하였고, 속도 측정 지점 3과 4, 에서의velocity magnitude와 자유류(12 m/s)의 비를 사용하였다.
풍속 오차가 가장 적은 센서 5 지점에서 구조물에 의하여 발생하는 풍향의 왜곡도를 파악하였다. 자유류의 풍향을 z축으로 하여 수평각 왜곡도(%, )와 연직각 왜곡도 (%)는 다음과 같다.
한국 해양연구원으로부터 제공받은 도면을 바탕으로 3차원 CAD 모델링 작업을 수행하였다. 이어도 과학기지는 장비설치를 위한 하부 데크(Cellar deck)와 주거 및 실험을 위한 주 데크(Main deck) 그리고 헬리콥터 이착륙장(Heliport)을 비롯하여 여러 개의 데크 구조로 이루어져 있으며, 여기에 여러가지 관측 장비들이 설치되어 있다.
해상 10 m 높이에서 풍속조건 12m/s와 30 m/s일 때, 각각 case 1과 case 2로 하였다. 이때 30도 간격으로 12방위의 자유류 조건에서 각 바람 측성 센서의 정확도를 판단하기 위한 해석을 수행하였다.
2가지 자유류 속도와 12방위에 대하여 3차원 유동해석을 수행하였으며 , 실제 풍속 측정 센서가 설치된 5곳에서 기지 간섭으로 변화된 속도 및 풍향을 측정하였다. 해상풍 데이터는 해상풍이 바로 마주 불어오는 방향에 위치한 센서에서 가장 정확한 값을 예측하며, Roof에 설치되어 있는 센서 5에서는 풍향에 관계없이 비교적 정확한 자유류를 예측하였다. 따라서 센서 5에서 관측된 풍향에 따라 Table 3에 정리된 다른 센서의 데이터를 종합하면, 가장 정확한 해상풍의 속도 및 풍향을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
이론/모형
본 연구의 해석 모델인 해양과학기지의 유동 영역은 레이놀즈수가 1" 정도인 난류유동 영역이므로, 2방정식 난류 모델인 표준모델 (Wilcox, 1996)을 사용하였다. 수식은 다음과 같다.
과학기지 모델에 작용하는 힘으로 압력 외에 점성력까지 고려하기 위하여, 지배방정식은 3차원 비압축성 Navier- Stokes 방정식을 사용하였다. 이의 질량 보존식과 운동량 보존식은 다음과 같다(Anderson, 1991).
과학기지모델의 표면은 점착조건(no-slip condition)을사용하였으며, 유입류는 속도를 고정하고 압력을 외삽하였으며, 유출류의 경우에는 배압을 고정하고 속도를 외삽하였다. 여기에서 유입류 속도의 경우 API 기준에 따른 해상풍의 연직 속도분포(서울대학교, 1991; 서울대학교, 1992)를 사용하였으며 , 4.2절에서 자세히 다룬다. 바닥의 경계조건의 경우 원래 파도가 있는 바다이지만 계산에는 고려되지 않았고, 유입류의 속도분포를 이어도 해양과학 기지까지 유지시키기 위해 바닥면의 경계조건은 점성이 없는 벽면(slip-wall) 조건으로 주었다.
해석 격자 생성에는 Gridgen 격자생성 프로그램을 사 용하였다(Pointwise, 1999). 이때 경계층과 같이 원하는 부분에 격자를 모으기 용이한 정렬 격자(structured grid) 로 생성하였다.
성능/효과
5.2절 및 5.3절의 결과에서 유입류의 방향이 측정센서 의 풍속 값에 민감한 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 그러나 Fig.
해상풍 데이터는 해상풍이 바로 마주 불어오는 방향에 위치한 센서에서 가장 정확한 값을 예측하며, Roof에 설치되어 있는 센서 5에서는 풍향에 관계없이 비교적 정확한 자유류를 예측하였다. 따라서 센서 5에서 관측된 풍향에 따라 Table 3에 정리된 다른 센서의 데이터를 종합하면, 가장 정확한 해상풍의 속도 및 풍향을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 연구 결과로 얻어진 데이터베이스는 각 센서들의 오차 경향을 파악하고, 보다 정확한 해상풍 정보를 제공하기 위한 기초 자료로 사용될 것으로 기대된다.
수치해의 수렴조건은 질량보존식과 각 방향 속도 및 난류 모델의 수치오차(residual)가 처음 오차의 1이하 가 되면 해가 수렴한 것으로 보았다. 수렴곡선의 예는Fig.
후속연구
그런데 이어도 과학기지의 크기가 매우 크기 때문에 주위의 대기 유동 흐름에 영향을 주게 되고, 과학기지에 설치된 해상풍관측 센서는 구조물에 의한 간섭을 받은 데이터를 도출하게 된다. 따라서 자유류 조건에 따라 관측 센서에서의 풍속 및 풍향 변화를 예측하는 연구가 필요하며, 이를 기초로 관측된 데이터를 평가 및 보정하면 보다 정확한 데이터를 제공할 수 있다.
따라서 센서 5에서 관측된 풍향에 따라 Table 3에 정리된 다른 센서의 데이터를 종합하면, 가장 정확한 해상풍의 속도 및 풍향을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 연구 결과로 얻어진 데이터베이스는 각 센서들의 오차 경향을 파악하고, 보다 정확한 해상풍 정보를 제공하기 위한 기초 자료로 사용될 것으로 기대된다.
이를 정리하면 Table 3과 같다. 이상에서 풍향에 따라 선택된 각 센서에서의 측정값을 비교한다면 가장 오차가 적은 해상풍 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (10)
서울대학교 공학연구소 (1991). 나산 보라매 타운 풍동실험 연구
서울대학교 공학연구소 (1992). 부산 롯데월드 풍동실험 연구
심재설, 전인식, 황종국, 오병철 (2002). 풍동실험에 의한 이어도 해양과학기지의 풍력산정. 한국 해안. 해양공학회지, 14(2), 161-170
심재설, 오병철, 전인식 (2003). 이어도 해양과학기지가 주변 바람장에 미치는 영향. 한국 해안. 해양공학회지, 15(2), 138
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