본 연구에서는 전산유체역학 모델을 이용하여 도시 재정비에 따른 신축 건물이 주변 대기 흐름에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 지리정보시스템 자료로부터 추출한 건물 자료를 전산유체역학 모델의 입력 자료로 사용하였고 4가지 풍향 (서풍, 남풍, 동풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 도시 재정비가 이루어지기 전에는 저층 건물이 밀집되었기 때문에 건물에 의한 마찰 효과가 증가하면서 건물 사이 공간의 풍속이 현저하게 감소하였다. 도시 재정비 계획에 따라 고층 건축물이 신축되고 밀집된 건물이 정비되면서 보행자 고도에서는 건물에 의한 마찰 효과가 감소하였다. 그리고 질량연속방정식을 만족시키기 위한 channeling 효과가 부분적으로 나타나면서 도시 재정비 지역의 풍속이 증가하였다. 상층에서는 고층 건물이 신축되면서 건물 사이에서 일어나는 channeling 효과에 의해 부분적으로 풍속이 증가하였다. 그러나 도시 재정비 지역의 풍하지역에서는 건물에 의해 형성되는 재순환 영역 (recirculation region)과 마찰 효과에 의해 넓은 지역에서 풍속이 현저하게 감소하였다.
본 연구에서는 전산유체역학 모델을 이용하여 도시 재정비에 따른 신축 건물이 주변 대기 흐름에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 지리정보시스템 자료로부터 추출한 건물 자료를 전산유체역학 모델의 입력 자료로 사용하였고 4가지 풍향 (서풍, 남풍, 동풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 도시 재정비가 이루어지기 전에는 저층 건물이 밀집되었기 때문에 건물에 의한 마찰 효과가 증가하면서 건물 사이 공간의 풍속이 현저하게 감소하였다. 도시 재정비 계획에 따라 고층 건축물이 신축되고 밀집된 건물이 정비되면서 보행자 고도에서는 건물에 의한 마찰 효과가 감소하였다. 그리고 질량연속방정식을 만족시키기 위한 channeling 효과가 부분적으로 나타나면서 도시 재정비 지역의 풍속이 증가하였다. 상층에서는 고층 건물이 신축되면서 건물 사이에서 일어나는 channeling 효과에 의해 부분적으로 풍속이 증가하였다. 그러나 도시 재정비 지역의 풍하지역에서는 건물에 의해 형성되는 재순환 영역 (recirculation region)과 마찰 효과에 의해 넓은 지역에서 풍속이 현저하게 감소하였다.
Using a computational fluid dynamics (CFD) model, the effects of building complexes constructed under an urban renewal plan on air flows in an urban area were investigated. For this, the geographic information system (GIS) data were used as the input data of the CFD model and four experiments were n...
Using a computational fluid dynamics (CFD) model, the effects of building complexes constructed under an urban renewal plan on air flows in an urban area were investigated. For this, the geographic information system (GIS) data were used as the input data of the CFD model and four experiments were numerically simulated for different inflow directions (westerly, southerly, easterly, and northerly cases). Before constructing building complexes under the urban renewal plan, wind speed at the pedestrian level was very low around buildings because of decrease in wind speed by the drag effect of the densely distributed low-rise buildings. As the high-rise buildings were constructed and building density decreased by the urban renewal plan, wind speed at the pedestrian level increased compared to that before the urban renewal plan because the drag effect by the buildings decreases and the channeling effect satisfying the mass continuity partially appeared at the spaces among the high-rise buildings. At the upper levels, wind speed partially increased inside the high-rise buildings due to the channeling effect but it remarkably decreased across a vast extent of the downwind regions due to the generation of the recirculation zone and the drag effect of the high-rise buildings.
Using a computational fluid dynamics (CFD) model, the effects of building complexes constructed under an urban renewal plan on air flows in an urban area were investigated. For this, the geographic information system (GIS) data were used as the input data of the CFD model and four experiments were numerically simulated for different inflow directions (westerly, southerly, easterly, and northerly cases). Before constructing building complexes under the urban renewal plan, wind speed at the pedestrian level was very low around buildings because of decrease in wind speed by the drag effect of the densely distributed low-rise buildings. As the high-rise buildings were constructed and building density decreased by the urban renewal plan, wind speed at the pedestrian level increased compared to that before the urban renewal plan because the drag effect by the buildings decreases and the channeling effect satisfying the mass continuity partially appeared at the spaces among the high-rise buildings. At the upper levels, wind speed partially increased inside the high-rise buildings due to the channeling effect but it remarkably decreased across a vast extent of the downwind regions due to the generation of the recirculation zone and the drag effect of the high-rise buildings.
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문제 정의
문화전당이 갖는 상징성과 정체성을 유지하고 문화전당에서 주변 경관 요소를 조망할 때 인간 규모를 고려한 건축물의 적정 높이를 고려하는 것을 문화전당 주변 경관 관리를 위한 기본 방향으로 설정하고 있다. 본 연구에서는 건축물 적정 높이와 조망권을 고려해 수립한 문화전당 주변 지역 경관 관리 사업 전ᆞ후의 건물 자료를 이용하여 건물이 주변 흐름에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
본 연구에서는 도시 재개발에 따른 건축물의 증ᆞ개축이 도시 지역 내부의 상세 바람 환경에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 이를 위해서 CFD 모델과 광주광역시 (구)전남도청일원의 도시 재정비 사업 전ᆞ후의 GIS 기반건물 자료를 이용하여 풍향 변화에 따른 주변 지역 바람 환경을 조사ᆞ분석하였다.
본 연구에서는 지리정보시스템 자료와 전산 유체역학 모델을 이용하여 도시 재정비에 따른 건물 건축이 도시 내 대기 흐름에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해 지리정보시스템 자료로부터 건물 자료를 추출하여 전산유체역학 모델 입력 자료로 사용하였고 4가지 풍향 (서풍, 남풍, 동풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
현재 광주광역시는 이하 문화전당을 포함하는 (구)전남도청 일원 지역 개발 사업을 광주 아시아문화중심도시 조성사업 중 핵심 사업으로 추진하고 있다. 이를 통해 문화전당을 새롭게 조성하고 주변 경관을 사전 관리함으로써 구도심 재생에 기여하고자 한다. 문화전당이 갖는 상징성과 정체성을 유지하고 문화전당에서 주변 경관 요소를 조망할 때 인간 규모를 고려한 건축물의 적정 높이를 고려하는 것을 문화전당 주변 경관 관리를 위한 기본 방향으로 설정하고 있다.
가설 설정
본 연구에서 사용한 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델은 김재진 (2007)이 사용한 모델과 동일하다. 이 CFD 모델은 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식 계에 기초한 모델로서 3차원, 비정수, 비압축 대기 흐름 계를 가정하며 코리올리 효과를 배제한다. 난류 모수화를 위하여 Renormalization Group 이론에 기초한 k-ℇ 난류 종결 방법을 사용한다.
제안 방법
이 알고리즘은 먼저 다각형 건물의 꼭짓점 정보로부터 건물 중심 위치를 계산한다. 계산된 중심 위치와 인접한 두 꼭짓점을 잇는 선분이 이루는 각도, 중심과 각 꼭짓점 사이의 거리, 건물 중심과 각 수치 격자 셀이 이루는 각도와 거리 등을 계산한다. 마지막 단계에서는 인접한 두 꼭짓점을 잇는 선분 사이에 위치하고 건물 경계 안쪽에 포함된 수치 격자 셀만을 건물로 인식 한다 (그림 3a).
도시 재정비에 의한 도시 건물의 정비와 증ᆞ개축이 도시 지역 내부의 상세 바람환경에 미치는 영향을 조사하기 위하여 도시 재정비 전ᆞ후의 건물 배치에 대해 4 방향의 풍향 (동 풍, 서풍, 남풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 수치 시뮬레이션은 시간 간격을 1 초로 하여 7200 초까지 수치 적분하였다.
4), 풍향을 의미한다. 본 연구에서는 도시 재정비에 따른 도시 지역 바람환경 변화를 조사하기 위하여 q를 변화 (0°, 90°, 180°, 270°)시켰다.
도시 재정비에 의한 도시 건물의 정비와 증ᆞ개축이 도시 지역 내부의 상세 바람환경에 미치는 영향을 조사하기 위하여 도시 재정비 전ᆞ후의 건물 배치에 대해 4 방향의 풍향 (동 풍, 서풍, 남풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 수치 시뮬레이션은 시간 간격을 1 초로 하여 7200 초까지 수치 적분하였다. 바람, 난류 운동 에너지 그리고 난류 운동 에너지의 소멸율에 대한 초기 조건은 다음과 같다.
본 연구에서는 지리정보시스템 자료와 전산 유체역학 모델을 이용하여 도시 재정비에 따른 건물 건축이 도시 내 대기 흐름에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해 지리정보시스템 자료로부터 건물 자료를 추출하여 전산유체역학 모델 입력 자료로 사용하였고 4가지 풍향 (서풍, 남풍, 동풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 수치 모델 분해능 (격자크기)의 한계 때문에 건물이 밀집된 일부 지역의 협소한 공간을 수치 모델 알고리즘이 제대로 구현하지 못하였으나 대체적으로 실제 건물을 잘 구현하였다.
본 연구에서는 도시 재개발에 따른 건축물의 증ᆞ개축이 도시 지역 내부의 상세 바람 환경에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 이를 위해서 CFD 모델과 광주광역시 (구)전남도청일원의 도시 재정비 사업 전ᆞ후의 GIS 기반건물 자료를 이용하여 풍향 변화에 따른 주변 지역 바람 환경을 조사ᆞ분석하였다.
대상 데이터
3. 실험 설계
계산 능력의 한계 내에서 지형물의 효과를 비교적 잘 반영할 수 있도록 도청 광장을 중심으로 동서로 약 806 m, 남북으로 약 850 m 거리까지를 대상 지역으로 선정하였다(가로 1612 m, 세로 1700 m)
. 문화전당은 도청 광장 주변에 건립될 예정이다.
그림 2는 수치 모델 수행 영역에 대한 도면이다. 수평 방향으로는 크기가 일정한 격자계 (가로 10.07 m, 세로 10.63 m)를 사용하였다. 연직 방향 격자는 건물을 보다 상세하게 구현할 수 있도록 45 m까지는 5 m로 일정하다.
이론/모형
이 CFD 모델은 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식 계에 기초한 모델로서 3차원, 비정수, 비압축 대기 흐름 계를 가정하며 코리올리 효과를 배제한다. 난류 모수화를 위하여 Renormalization Group 이론에 기초한 k-ℇ 난류 종결 방법을 사용한다. 이 CFD 모델에서 지배 방정식 계는 유한 체적법 (finite volume method)과 SIMPLE (semi-implicit method for pressure-linked equation) 알고리즘을 사용하여 엇갈림 격자계 (staggered grid system)에서 수치적으로 풀이된다.
대상 지역의 건물에 대한 공간 자료 (건물 위치, 고도)를 국토연구원에서 제공받아 수치 건물 구축 알고리즘을 적용하였다. 이 알고리즘은 먼저 다각형 건물의 꼭짓점 정보로부터 건물 중심 위치를 계산한다.
본 연구에서 사용한 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델은 김재진 (2007)이 사용한 모델과 동일하다. 이 CFD 모델은 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식 계에 기초한 모델로서 3차원, 비정수, 비압축 대기 흐름 계를 가정하며 코리올리 효과를 배제한다.
난류 모수화를 위하여 Renormalization Group 이론에 기초한 k-ℇ 난류 종결 방법을 사용한다. 이 CFD 모델에서 지배 방정식 계는 유한 체적법 (finite volume method)과 SIMPLE (semi-implicit method for pressure-linked equation) 알고리즘을 사용하여 엇갈림 격자계 (staggered grid system)에서 수치적으로 풀이된다.
성능/효과
북쪽 경계 지역 부근에서는 보행자 고도 바람과 마찬가지로 channeling 효과가 강하게 나타났다. 그러나 2, 3구역 풍하측과 1, 9구역 풍하 지역 풍속이 도시 재정비 이전에 비해 현저하게 감소하였고 풍향도 유입류와 다른 동서풍 계열의 바람이우세하게 나타남을 확인할 수 있다.
도시 재정비가 이루어지기 전에는 저층 건물이 밀집되었기 때문에 건물에 의한 마찰 효과가 증가하였다. 따라서 건물 밀집 지역에서는 유입류에 비해 풍속이 현저하게 감소하는데, 이는 모든 경우 (서풍, 동풍, 남풍, 북풍)에 나타났다. 도시 재정비 계획에 따라 고층 건축물이 신축되고 밀집된 건물이 정비되면서 보행자 고도에서는 건물에 의한 마찰 효과가 감소하였다.
5 m)에 서는 건물에 의한 마찰 효과와 건물 풍하 지역에 형성된 2차 순환 (재순환 영역)에 의해 풍속이 감소하였다 (그림 6b). 특히, 고층 건물에 의한 풍향 왜곡에 의해 1구역 (계림오거리 지역)의 건물 풍상 지역과 4, 5, 6, 7구역의 건물 풍하 지역에서는 유입 풍향 (서풍)과 다른 방향으로 바람이 부는 것을 확인할 수 있다. 도시 재정비 전후에 가장 현저한 차이를 보인 지역은 수치 도면의 동북쪽 지역 (1, 9구역)이다.
후속연구
풍계 특성을 기반으로 유입류 방향을 결정하고 풍향별 가중치를 적용하면 도시 재정비가 이루어진 지역별 풍계 변화의 정량적 평가가 가능할 것으로 판단된다. 또한 건물 신축에 의한 풍계 변화와 함께 오염원 (자동차, 개개 건물 등)의 배출 자료를 이용하면, 도시 재정비에 따른 대기환경 영향 평가가 가능할 것으로 판단된다. 향후, 이 연구를 통하여 도시 재정비가 대기환경에 미치는 긍정적 또는 부정적 영향을 조사하고자 한다.
본 연구 결과가 도시 지역 대기환경 평가에 보다 실용적으로 응용되기 위해서는 장기간관측을 통해 해당 지역에 대한 풍계 특성 조사가 선행되어야 한다. 풍계 특성을 기반으로 유입류 방향을 결정하고 풍향별 가중치를 적용하면 도시 재정비가 이루어진 지역별 풍계 변화의 정량적 평가가 가능할 것으로 판단된다.
본 연구 결과가 도시 지역 대기환경 평가에 보다 실용적으로 응용되기 위해서는 장기간관측을 통해 해당 지역에 대한 풍계 특성 조사가 선행되어야 한다. 풍계 특성을 기반으로 유입류 방향을 결정하고 풍향별 가중치를 적용하면 도시 재정비가 이루어진 지역별 풍계 변화의 정량적 평가가 가능할 것으로 판단된다. 또한 건물 신축에 의한 풍계 변화와 함께 오염원 (자동차, 개개 건물 등)의 배출 자료를 이용하면, 도시 재정비에 따른 대기환경 영향 평가가 가능할 것으로 판단된다.
이는 고층 건물 사이의 공간이 좁아지면서 질량보전방정식을 만족시 키기 위한 channeling 효과와 경계 지역에서는 바람이 지속적으로 일정하게 유지된다는 조건이 복합적으로 작용하여 나타난 결과로 판단된다. 향후 경계 조건에 대한 보완이 필요할것으로 판단된다.
또한 건물 신축에 의한 풍계 변화와 함께 오염원 (자동차, 개개 건물 등)의 배출 자료를 이용하면, 도시 재정비에 따른 대기환경 영향 평가가 가능할 것으로 판단된다. 향후, 이 연구를 통하여 도시 재정비가 대기환경에 미치는 긍정적 또는 부정적 영향을 조사하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도시 협곡은 무엇인가?
도시 지역 흐름과 확산 특성에 대한 체계적이고 이론적인 접근을 위하여 비교적 단순화된 지형 (예, 도시 협곡이나 단일 장애물)에 대한 연구가 주로 수행 되어져 왔다. 도시 협곡은 도로 양옆으로 길게 세워져 있는 건물 사이의 공간을 말한다. DePaul과 Sheih (1986)는 시카고 지역의 도시 협곡에서 야외 관측을 통해 도시 협곡 내에소용돌이가 형성될 수 있음을 보였고 잘 발달된 소용돌이가 형성될 수 있는 주변 바람의임계 속도를 관측하였다.
기존의 기상 모델이나 대기 확산 모델이 미세 규모의 대기 흐름에 매우 중요한 외력으로 작용하는 건물을 고려하기 어려운 이유는?
이중에서 수치 연구 방법은 상대적으로 적은 비용을 필요로 하고 실험 결과의 반복성 (repeatability)이 뛰어나며 미래의 대기 상태예측이 가능하다는 점에서 많은 이점이 있는방법이다. 기존의 기상 모델이나 대기 확산 모델은 모델 좌표계와 분해능의 한계 때문에 미세 규모의 대기 흐름에 매우 중요한 외력으로 작용하는 건물을 고려하기 어렵다. 따라서 건물이 밀집되어 있는 도심 지역 대기 흐름과 확산 문제를 다루기 위해서 개개 건물 영향을 효과적으로 수치 모사할 수 있는 전산 유체 역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델을 사용해 왔다.
전산유체역학 모델을 이용하여 도시 재정비에 따른 신축 건물이 주변 대기 흐름에 미치는 영향을 조사하였을 때 그 결과는?
이를 위하여 지리정보시스템 자료로부터 추출한 건물 자료를 전산유체역학 모델의 입력 자료로 사용하였고 4가지 풍향 (서풍, 남풍, 동풍, 북풍)에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 도시 재정비가 이루어지기 전에는 저층 건물이 밀집되었기 때문에 건물에 의한 마찰 효과가 증가하면서 건물 사이 공간의 풍속이 현저하게 감소하였다. 도시 재정비 계획에 따라 고층 건축물이 신축되고 밀집된 건물이 정비되면서 보행자 고도에서는 건물에 의한 마찰 효과가 감소하였다. 그리고 질량연속방정식을 만족시키기 위한 channeling 효과가 부분적으로 나타나면서 도시 재정비 지역의 풍속이 증가하였다. 상층에서는 고층 건물이 신축되면서 건물 사이에서 일어나는 channeling 효과에 의해 부분적으로 풍속이 증가하였다. 그러나 도시 재정비 지역의 풍하지역에서는 건물에 의해 형성되는 재순환 영역 (recirculation region)과 마찰 효과에 의해 넓은 지역에서 풍속이 현저하게 감소하였다.
참고문헌 (18)
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