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문제 정의
- 단동하우스의 풍하중에 대한 구조안전성은 현재 풍력계수를 적용하여 평가․분석하고 있으나 하우스 형태 및 지붕경사도에 따른 제한이 있어 왔다. 다양한 하우스 형태에 대한 안전풍속의 결정은 유동-구조 연성해석(FSI, Fluid-Structure Interaction)으로부터 구할 수 있으며 본 연구는 이에 대한 기초 자료를 확보하는 데 있다. FSI는 CFD(Computational Fluid Dynamics)에서 구한 전체압력을 FEA(Finite Element Analysis) 의 피복 면에 부가시켜 골조 파이프에 작용시킴으로써 단동 하우스의 안전풍속을 결정하는 수치적 기술이다.
- , 2007) 등이 있다. 본 연구는 현재 방풍망에 사용되고 있고, 향후 방풍시설에 이용 가능한 방풍네트에 대하여 방풍망 설치 시 풍속저감 효과를 분석함으로써 방풍망 선택 및 설치 시의 기초 자료로 활용하고자 수행하였다.
가설 설정
- 유동영역 설정 시 방풍망의 높이를 최고 15 m까지 설치할 수 있다고 가정하여 방풍망의 전면부와 윗면은 300 m(=15 m×20)로 하였으며 후면부는 속도장이 균일하게 나오는 조건을 만족할 수 있도록 멀리 떨어진 거리인 2,700 m(=15 m×180)로 하였다.
제안 방법
- 방풍망 주위 유동분포를 분석하기 위하여 3차원 정상상태 유동해석(CFD)을 수행하였다. ICEM-CFD(ANSYS Inc., USA) 를 이용하여 정렬 육면체 격자(structured hexahedrons)를 생성하였고 CFX 12.1(ANSYS Inc., USA)을 사용하여 해석하였다. 방풍망 앞쪽에는 균일속도(Vin)를, 뒤쪽에는 압력 조건(P=0 Pa)을 주었으며 지면에는 No slip 조건을, 윗면과 한 쪽 측면에는 Free slip 조건을 주고, 단동하우스 단면상에 놓인다른 쪽 측면에는 대칭조건을 적용하였다.
- 방풍네트 전후 압력차는 방풍네트 3종에 대해 전북대학교 항공우주공학과 아음속풍동 시험부에 방풍네트를 직각으로 설치하고 유입풍속을 5～30 m/s 범위에서 5 m/s 간격으로 증가시켜 가면서 측정하였다. 시험부는 0.
- 3% 이내이다. 방풍네트 전･후의 압력차는 방풍네트 전방과 후방에 각각 설치된 피토관(pitot tube)과 차압센서(Setra model 239, F.S. : 1,245 Pa) 를 사용하여 측정하였다. 피토관의 위치는 방풍네트의 전방으로 0.
- , USA)을 사용하여 해석하였다. 방풍망 앞쪽에는 균일속도(Vin)를, 뒤쪽에는 압력 조건(P=0 Pa)을 주었으며 지면에는 No slip 조건을, 윗면과 한 쪽 측면에는 Free slip 조건을 주고, 단동하우스 단면상에 놓인다른 쪽 측면에는 대칭조건을 적용하였다. 유동영역 설정 시 방풍망의 높이를 최고 15 m까지 설치할 수 있다고 가정하여 방풍망의 전면부와 윗면은 300 m(=15 m×20)로 하였으며 후면부는 속도장이 균일하게 나오는 조건을 만족할 수 있도록 멀리 떨어진 거리인 2,700 m(=15 m×180)로 하였다.
- 방풍망 주위 유동분포를 분석하기 위하여 3차원 정상상태 유동해석(CFD)을 수행하였다. ICEM-CFD(ANSYS Inc.
- 평탄한 노지 및 단동하우스 측면에 설치한 방풍망의 설치 효과를 분석하였다. 풍동시험을 통해 방풍네트별 압력차를, 3차원 CFD를 통해 방풍네트 및 방풍높이별 풍속저감 효과와 방풍높이에 따른 단동하우스 주위 풍속분포 및 피복면에 작용하는 전체압력 분포를 분석하였다.
- 풍동시험으로부터 측정한 압력차를 실험식과 비교하였다. 손실계수 실험식을 이용한 압력차는 식 (1)로부터 구하였다(Eckert et al.
- 평탄한 노지 및 단동하우스 측면에 설치한 방풍망의 설치 효과를 분석하였다. 풍동시험을 통해 방풍네트별 압력차를, 3차원 CFD를 통해 방풍네트 및 방풍높이별 풍속저감 효과와 방풍높이에 따른 단동하우스 주위 풍속분포 및 피복면에 작용하는 전체압력 분포를 분석하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
- : 1,245 Pa) 를 사용하여 측정하였다. 피토관의 위치는 방풍네트의 전방으로 0.43 m, 후방으로 0.47 m에 각각 설치하였으며, 압력차 측정 시 피토관에 의한 상호 간섭영향을 배제하고자 두 피토관이 횡 방향으로 0.25 m 차이가 나도록 설치하였다. 그림 1은 풍동시험 전경을, 그림 2는 실험에 사용된 3종의 방풍네트를 각각 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 단동하우스 지붕 아치의 곡률로 인한 격자의 찌그러짐을 작게 하기 위하여 O-grid를 이용하였으며, 정렬 육면체 격자를 생성할 수 있고 격자의 조밀을 쉽게 조절할 수 있도록 Multi-blocking 개념을 적용하였다. 벽면으로부터의 무차원 거리 y+는 0.1～100에 있게 하였으며 해석에 사용된 격자는총 1,046,616개 이다.
- 해석에 사용된 실제 방풍망의 높이는 3, 5, 7, 9, 11 m, 길이는 30 m이며 단동하우스는 폭 6 m×측고 1.7 m×동고 3.3 m, 길이는 20 m이다.
이론/모형
- 난류모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하였으며(Bardina et al., 1997), 수렴 판단은 잔차(residual)가 1.0×10-5 이하로 떨어졌을 때로 보았다.
- 단동하우스 지붕 아치의 곡률로 인한 격자의 찌그러짐을 작게 하기 위하여 O-grid를 이용하였으며, 정렬 육면체 격자를 생성할 수 있고 격자의 조밀을 쉽게 조절할 수 있도록 Multi-blocking 개념을 적용하였다. 벽면으로부터의 무차원 거리 y+는 0.
- 방풍망의 길이는 방풍망을 지난 유동이 유동 공간상에 놓인 단동하우스 출입 면에 미치는 영향을 최소화할 수 있도록 단동하우스 길이보다 10 m 길게 하였다. 유동해석 시 방풍망은 다공성 매체(porous media)로 처리하였으며(Yum et al., 2007), CFX에서의 다공성 매체에 대한 압력 손실 계수(linear resistance coefficient 및 quadratic resistance coefficient)는 CFD 모델링 상에서의 방풍망 두께를 고려하여 적용하였다. 난류모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하였으며(Bardina et al.
성능/효과
- (1) 풍동시험으로부터 방풍네트 전후 압력차는 유입풍속의 2차 함수로 증가하며, 방풍네트가 조밀할수록(방풍네트 #1 (Coarse)＜#2＜#3(Fine)) 압력차는 크게 증가하였다.
- (2) CFD 결과로부터 방풍높이 5 m를 갖고 방풍네트 #1, #2및 #3을 사용하여 방풍망을 설치 할 경우 풍속저감 효과는 유입풍속 20 m/s에서 5.1～7.6 m/s, 30 m/s에서 7.6～11.3 m/s, 40 m/s에서 10.1～15.0 m/s 이었다.
- (3) 방풍네트 #1을 사용하는 경우 과수원의 규모가 약 200 m 이내라면 방풍높이는 5 m로 충분함을 알 수 있었다. 또한 방풍네트 #2를 사용하는 경우 과수원의 규모가 150 m 정도 이내라면 방풍높이는 5 m, 400 m 정도 이내라면7 m로 방풍효과가 충분한 것으로 나타났다.
- (4) 단동하우스 측면에 설치한 방풍망은 최고 풍속, 최대 양 (+)의 압력과 최대 음(-)의 압력을 모두 감소시키나 그 감소 폭은 음(-)의 압력에서 가장 컸으며 유입풍속이 증가할수록 감소 폭은 또한 증가하였다.
- 6 m 지점으로 방풍망으로 인하여 풍속이 감소함을 알 수 있다. 그리고 방풍네트가 조밀할수록 풍속변화의 정도 즉, 풍속저감 효과는 증가하였다. 이는 주어진 유입풍속에 대하여 방풍네트가 촘촘할수록 유동저항(압력차)이 증가하여 풍속변화의 정도를 더 크게 하기 때문이다.
- 단동하우스 피복면에 작용하는 전체압력 분포는 방풍망 설치 유무 및 방풍높이에 관계없이 모두 유사한 양상을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 바람을 맞는 풍상측면에는 큰 양(+)의 압력이, 지붕 상단에는 음(-)의 압력이 크게 작용하고, 풍하측면에는 작은 음(-)의 압력이 작용하고 있음을 알 수 있었다.
- 1 m/s 이었다. 동일 방풍높이에 대하여 방풍네트 #2를 사용하는 경우 유입풍속 20, 30, 40 m/s에서 풍속저감 효과는 각각 5.9, 8.8, 11.8 m/s이었으며 방풍네트 #3을 사용하는 경우에는 유입풍속 20, 30, 40 m/s에서 각각 7.6, 11.3, 15.0 m/s이었다.
- (3) 방풍네트 #1을 사용하는 경우 과수원의 규모가 약 200 m 이내라면 방풍높이는 5 m로 충분함을 알 수 있었다. 또한 방풍네트 #2를 사용하는 경우 과수원의 규모가 150 m 정도 이내라면 방풍높이는 5 m, 400 m 정도 이내라면7 m로 방풍효과가 충분한 것으로 나타났다.
- 양(+)의 압력과 음(-)의 압력은 방풍망 미설치 시와 비교하여 모두 감소하며 그 감소 폭은 유입풍속이 클수록 증가하는 것으로 나타났는데 양(+)의 압력 보다는 음(-)의 압력이 더 크게 감소되어 방풍망이 기초 안전성에 더 큰 효과를 줄 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 양(+)의 압력과 음(-)의 압력 모두 방풍높이 3 m 이상에서 큰 차이가 없어 본 연구에 사용된 단동하우스 보호용으로 방풍망을 설치할 경우 방풍높이는 3 m로 충분할 것으로 분석되었다. 그러나 이 결과는 방풍망과 단동하우스의 거리가 3 m인 경우에 한하며 향후 방풍망과 단동하 우스 간 거리에 따른 속도 및 전체압력 변화를 분석할 필요성이 있을 것으로 판단되었다.
- 5 m 이내에서는 방풍높이 5～11 m 사이에 차이가 없음을 볼수 있는 데 과수원의 규모(방풍망으로부터 수직방향 거리)가약 200 m 이내라면 방풍높이는 5 m로 충분함을 알 수 있다. 방풍네트 #2를 사용하는 경우 과수원의 규모가 150 m 정도이내라면 방풍높이는 5 m, 400 m 정도 이내라면 7 m로 방풍 효과가 충분한 것으로 나타났다. 방풍네트 및 방풍높이에 따라 풍속저감의 유효 영역이 달라지므로 경제적인 방풍망을 설치하고자 할 때에는 풍속저감 효과뿐만 아니라 과수원의 규모도 고려하여야 할 것으로 판단되었다.
- 그림 11은 동일 규격을 갖는 단동하우스 측면에 방풍망을설치했을 때 방풍높이별 최고 풍속을, 그림 12는 단동하우스 지붕 상단 피복면의 최대 전체압력(최대 양(+)의 압력)과 최소 전체압력(최대 음(-)의 압력)을 나타낸 것이다. 양(+)의 압력과 음(-)의 압력은 방풍망 미설치 시와 비교하여 모두 감소하며 그 감소 폭은 유입풍속이 클수록 증가하는 것으로 나타났는데 양(+)의 압력 보다는 음(-)의 압력이 더 크게 감소되어 방풍망이 기초 안전성에 더 큰 효과를 줄 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 양(+)의 압력과 음(-)의 압력 모두 방풍높이 3 m 이상에서 큰 차이가 없어 본 연구에 사용된 단동하우스 보호용으로 방풍망을 설치할 경우 방풍높이는 3 m로 충분할 것으로 분석되었다.
- 388 × 242 = 94 Pa임을 알수 있다. 이 값은 해당 유입풍속에서의 풍동시험 측정치인∆PT = 92 Pa과 거의 일치해 본 연구에 사용된 방풍네트가 원형강선(circular metal wire)과 유사한 압력손실을 가져온다는 것을 알 수 있었다.
- 그림 8은 유입풍속 및 방풍네트별 풍속저감 효과를 방풍높이에 따라 나타낸 것이다. 주어진 유입풍속에서 방풍네트가 조밀할수록 그리고 방풍높이가 클수록 풍속저감 효과는 증가하였으며 그 증가 폭은 방풍높이가 증가함에 따라 감소하여 방풍높이 9 m 이상에서는 풍속저감 효과가 현저히 떨어짐을볼 수 있었다. 또한 주어진 방풍높이와 방풍네트에 대해 유입 풍속이 클수록 풍속저감 효과는 증가하는 데 유입풍속이 증가할수록 압력차가 2차 함수로 증가하여 풍속변화의 정도를더 크게 하기 때문이다.
- 단동하우스 피복면에 작용하는 전체압력 분포는 방풍망 설치 유무 및 방풍높이에 관계없이 모두 유사한 양상을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 바람을 맞는 풍상측면에는 큰 양(+)의 압력이, 지붕 상단에는 음(-)의 압력이 크게 작용하고, 풍하측면에는 작은 음(-)의 압력이 작용하고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한 양(+)의 압력과 음(-)의 압력 모두 방풍높이 3 m 이상에서 큰 차이가 없어 본 연구에 사용된 단동하우스 보호용으로 방풍망을 설치할 경우 방풍높이는 3 m로 충분할 것으로 분석되었다. 그러나 이 결과는 방풍망과 단동하우스의 거리가 3 m인 경우에 한하며 향후 방풍망과 단동하 우스 간 거리에 따른 속도 및 전체압력 변화를 분석할 필요성이 있을 것으로 판단되었다.
- FSI의 효용성을 위해 3차원 유동해석이 필요하나 3차원 유동해석 시 격자수의 제한이 있을 수밖에 없으며 격자수의 부족은 단동하 우스 지붕 아치면 상부의 유동박리 등 급격한 유동현상을 모사하기에 한계가 있음을 의미한다. 따라서 향후 2차원 유동 해석을 통한 정확한 풍력계수의 산정과 3차원 FSI의 정확도 비교가 필요할 것으로 판단되었다.
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