[논문]Canopy Model 적용을 통한 도심지 풍환경 예측 CFD 시뮬레이션 결과의 보정

정수현; 홍인표; 최종규; 송두삼

doi:10.7836/kses.2012.32.spc3.185

Abstract ▼ AI-Helper

Recently rapid urbanization facilitates development of high-rise building complex including apartment and office building in urban area. Many problems related with high -rise building are reported. Especially, unpleasant strong winds in pedestrian area are frequently encountered around the high-rise...

Recently rapid urbanization facilitates development of high-rise building complex including apartment and office building in urban area. Many problems related with high -rise building are reported. Especially, unpleasant strong winds in pedestrian area are frequently encountered around the high-rise building. CFD simulation methods are used to analyze the wind environment of pedestrian level in high-rise building block. However, the results show differences between CFD and measurement. This difference is attributed to improper use of CFD. Conventional CFD simulation for wind environment around high-rise building does not describe the effect of trees, shrubs and plants near ground which affect the wind environment of pedestrian level. Canopy model can be used to reproduce the aerodynamic effects of trees, shrubs and plants near ground. In this paper, CFD simulation methods coupled with the tree canopy model to predict wind environment of pedestrian level in high-rise residential building block were suggested and the validity was analyzed by comparison between measurement and CFD results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공동주택 단지 내 보행자 레벨에서의 CFD를 통한 풍환경 예측 방법으로 보행자 레벨의 풍환경에 영향을 미치는 지표면거칠기(roughness), 수목의 영향을 고려할 수 있는 Canopy Model을 CFD 시뮬레이션에 적용하여 Canopy Model이 종래의 풍속 프로파일만을 고려하였을 경우와 비교하여 실측 결과 값, CFD시뮬레이션 예측값과 차이를 어느 정도로 최소화 할 수 있는지를 검토하고자 한다.
본 연구에서는 도심지 공동주택 단지에서 보행자 레벨의 풍환경 해석 결과의 신뢰도를 향상시키기 위한 방법으로 종래의 CFD 시뮬레이션 방법에 건물 주변의 수목이나 인공구조물 등에 의한 풍속저감, 난류에너지의 증가를 표현할 수 있는 Tree Canopy Model을 적용하여 이 방법이 종래의 CFD 시뮬레이션 방법에 비해 어느 정도로 계산 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있는지에 대해 검토하였다.
이에 본 연구에서는 CFD를 통한 도심지 고층형 공동주택 단지에 대한 신뢰성 있는 풍환경 예측 방법을 제시하고자 한다. 이와 관련한 선행 연구로 필자 등은 도심지 내 공동 주택 단지와 같이 연속된 도심 공간 내에서 CFD 시뮬레이션에서 inlet경계조건이 되는 풍속프로파일의 설정의 타당성에 대한 검토를 한강변 아파트 단지에 대한 실측과 CFD 시뮬레이션을 통해 분석하였다⁸⁾.

가설 설정

CFD 시뮬레이션 경계조건은 Table2와 같다. 기준 풍속 및 풍향조건은 실측결과(8)와 같으며, 시뮬레이션은 정상상태, 비압축성 유동으로 가정하였다. 난류모델은 κ-ε High Reynolds Number모델을 적용하였으며, 압력보정 알고리즘은 SIMPLE을 사용하였다.

제안 방법

CFD 시뮬레이션을 통해 공동주택 단지 내 보행자 레벨의 풍환경 예측에 있어서 Tree CanopyModel의 적용 유무가 풍속분포의 신뢰도에 미치는 영향을 검토하였다.
한강지점은 Davis기상관측장비를 사용하였고, 나머지 지점은 Lutron AM-4214SD 열선 풍속계와 간이 풍향계를 사용하였다. 간이 풍향계는 인원을 배치하여 데이터를 5분 간격으로 수집하였다. 측정은 2011년 8월 5일∼6일에 걸쳐 이루어 졌다⁸⁾
4와 같이 계산영역(domain)의 크기는 AIJ Guidline⁽⁹⁾에 의거하여 작성하였다. 또한 격자사이즈는 보행자 주변의 풍속분포를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 최소 GridSize는 1m로 설정하였으며, 바닥면에 Prism Layer를 설정하여 지표면으로부터 2m 이내에 최소 3개 이상의 격자가 배치될 수 있도록 하였고, 대상지는 도메인 상에서 중심에 위치하도록 하였다.
본 논문에서는 수목의 형상을 실제와 비교하여 단순화하였으며, 또한 수목의 종류도 한가지로 전부 동일하게 모델링하였다. 즉 실제 분석 대상단지에 식재된 수목의 종류를 상세 하게 표현하지는 못하여 CFD 해석결과가 실제 풍속 측정치와 다소 차이를 나타내고 있어 추후에는 수목에 대한 모델링 방법에 대해서도 검토가 필요할 것으로 판단된다.
시뮬레이션 케이스는 종래의 풍환경 분석 방법으로 대상공간에 대해 풍속프로파일을 적용하여 대상공간 내 풍속분포를 분석하는 방법(case 1)에 대해 case 1에 추가하여 지표면 근처의 풍환경에 영향을 미치는 물체에 대한 모델링이 어려울 경우에 지표면에 거칠기(Roughness Length)인 Zo값¹²⁾을 통해 지표면 공기저항을 묘사하는 방법(case 2), 그리고 본 연구에서 제안하고 있는 풍속프로파일과 더불어 Tree Canopy Model을 설정하는 방법(case 3)등 모두 3가지 케이스에 대해 CFD 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 특히 case 3의 경우, 분석 대상단지 내 수목을 3D 로 표현한 상태에서 Tree Canopy Model을 적용하였다.
이러한 현상을 CFD 시뮬레이션을 통해 모사하기 위해 운동량방정식에서 -Fi를 추가하여 풍속의 감소를 표현하였고, κ-ε 수송방정식에서 +Fk 와 +Fε 을 추가하여 난류에너지와 소산율의 증가를 모사하였다10)
이를 통해 본 연구에서 구현한 Tree Canopy Model이 Mochida등¹⁰⁾이 수행하였던 연구 결과와 일치하는지에 대한 분석을 실시하였다.

대상 데이터

실측 대상지는 한강변에 위치한 서울시 반포지구 H아파트단지로 단지 내 건물 높이는 대략 48m이다. 대상 단지 내 보행자 레벨의 풍향/풍속 분포를 측정하기 위해 단지 내 총 7지점을 선정하였다. 1∼6번 지점은 단지내에 위치하고 있고, 7번 지점은 한강에서 불어오는 바람을 측정하기 위한 한강지점이다.
실측 대상지는 한강변에 위치한 서울시 반포지구 H아파트단지로 단지 내 건물 높이는 대략 48m이다. 대상 단지 내 보행자 레벨의 풍향/풍속 분포를 측정하기 위해 단지 내 총 7지점을 선정하였다.
난류모델은 κ-ε High Reynolds Number모델을 적용하였으며, 압력보정 알고리즘은 SIMPLE을 사용하였다. 전체 계산 격자수는 5, 438, 302개이다.
1∼6번 지점은 단지내에 위치하고 있고, 7번 지점은 한강에서 불어오는 바람을 측정하기 위한 한강지점이다. 한강지점은 Davis기상관측장비를 사용하였고, 나머지 지점은 Lutron AM-4214SD 열선 풍속계와 간이 풍향계를 사용하였다. 간이 풍향계는 인원을 배치하여 데이터를 5분 간격으로 수집하였다.

이론/모형

CFD시뮬레이션은 CD-Adapco사의 Star-CCM+ Ver5. 06을 이용하여 이루어 졌으며, CFD 시뮬레이션의 결과치의 신뢰도에 가장 큰 영향을 미치는 해석영역설정(Domain size), 주변 건물 또는 주변 지형에 관련한 Modeling detail, 격자분할(Grid generation), Inlet경계조건, 수렴조건(Convergence criteria)등은 일본 건축학회에서 작성한 CFD 가이드라인에 의거하여 작성하였다⁹⁾
난류모델은 κ-ε High Reynolds Number모델을 적용하였으며, 압력보정 알고리즘은 SIMPLE을 사용하였다.
실측을 실시한 공동주택 단지에 대한 보행자 레벨의 풍환경 예측을 위한 CFD 시뮬레이션에 Tree Canopy Model을 적용하기 위한 선행 연구로 Mochida등¹⁰⁾이 수행하였던 Tree Canopy Model을 본 연구에서 사용한 CFD 툴인 Star-CCM+¹¹⁾에 구현하였다.
을 통해 지표면 공기저항을 묘사하는 방법(case 2), 그리고 본 연구에서 제안하고 있는 풍속프로파일과 더불어 Tree Canopy Model을 설정하는 방법(case 3)등 모두 3가지 케이스에 대해 CFD 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 특히 case 3의 경우, 분석 대상단지 내 수목을 3D 로 표현한 상태에서 Tree Canopy Model을 적용하였다. case 2에서 분석 대상단지 내 각 지점에 대한 Roughness Length value는 Table 3과 같다.

성능/효과

검토결과, 종래의 도심지 풍속프로파일만 적용하는 경우, 또는 거기에 지표면 거칠기계수(Z0)를 적용하는 경우와 비교하여 단지 내 주동 주변에 수목을 3D로 모델링하고 Tree Canopy Model을 CFD 기본 운동방정식, 수송방정식 등에 추가한 경우가 실측 결과와 매우 일치하는 결과를 보였다.
이 제시한 실측결과와 매우 일치하는 결과를 보였다. 결과적으로 본 연구에서 Star-CCM+에 구현한 Tree Canopy Model은 매우 신뢰할 만 한 것으로 나타났다.
그러나 본 연구에서 검토한 도심지 공동주택 단지 내 보행자 레벨에 대한 풍속분포를 CFD 해석을 통해 실제 풍속값과 가장 유사하게 모사하는 방법으로는 case 3의 Tree Canopy Model을 추가한 경우가 가장 정확도가 높은 것으로 나타났다.
6은 분석 대상단지의 각 지점별 풍속 측정치에 대해 CFD 시뮬레이션을 통해 산출된 각 지점별 풍속을 나타내고 있다. 실측결과와 비교하여 Tree Canopy Model을 추가한 case 3의 풍속 결과는 바람이 불어오는 쪽(단지 상부)인 측정점 1, 2, 3에서는 실측 결과와 매우 일치하는 결과를 보였다. 그러나 종래의 공동주택 단지에 대한 바람길 시뮬레이션 방법(case 1)또는 거기에 추가하여 지표면 거칠기(Roughness Length)를 설정한 case 2의 풍속분포는 실측치와는 매우 상이한 결과를 보였다.
예비해석 결과, 본 연구에서 구현한 Tree Canopy Model이 기존의 Mochida등¹⁰⁾이 제시한 실측결과와 매우 일치하는 결과를 보였다. 결과적으로 본 연구에서 Star-CCM+에 구현한 Tree Canopy Model은 매우 신뢰할 만 한 것으로 나타났다.

후속연구

이 결과를 통해 공동주택 단지 또는 건물이 연속된 도심지에 대한 바람길 시뮬레이션을 위한 CFD 분석 시, 종래의 inlet풍속 프로파일만을 적용한 방법은 단지 내 보행자 레벨의 실제 풍속값 보다 다소 과장된 풍속값을 예측할 수 있어, 이러한 차이를 최소화하기 위해서는 반드시 Tree Canopy Model을 추가한 CFD 시뮬레이션을 실시해야 할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 수목의 형상을 실제와 비교하여 단순화하였으며, 또한 수목의 종류도 한가지로 전부 동일하게 모델링하였다. 즉 실제 분석 대상단지에 식재된 수목의 종류를 상세 하게 표현하지는 못하여 CFD 해석결과가 실제 풍속 측정치와 다소 차이를 나타내고 있어 추후에는 수목에 대한 모델링 방법에 대해서도 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 CFD 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 보장하기 위한 한계점은 무엇인가?	국내의 경우도 CFD를 이용하여 보행자 레벨에서의 풍환경 예측이 이루어지고 있다7). 그러나 국내의 경우, CFD 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 보장하기 위한 해석영역설정(Domain size), 격자분할(Mesh generation), 경계조건설정 등에 관한 가이드라인이 부재한 상황이다.
	빌딩풍이란 무엇인가?	빌딩풍이란 Fig. 1과 같이 저층 건물이 연속되어 있는 도심 공간에 고층건물이 위치할 경우, 식1)과 같이 고층건물 높이에 해당하는 강한 바람이 건물 측면 또는 상부에서 박리(剝離)하고 고층 건물에 부딪혀서 하강하여 주변의 저층 건물 또는 보행자 레벨의 강풍에 의한 장해를 유발하는 현상을 말한다1).
	전산유체역학은 어떠한 장점을 가지고 있는가?	도심지 건물 주변의 풍환경을 예측하는 방법으로는 풍동실험과 전산유체역학 (CFD : Computational Fluid Dynamics)가 사용되고 있다. CFD는 기존 풍동실험에서 다루지 못했던 광범위한 도시 스케일의 풍환경 분석이 가능함에 따라 최근 많이 이용되고 있다6)

참고문헌 (14)

Wind Engineering Institute, 2005. Basics for wind environment around the high-rise building, Kajima publishing co., pp. 30-31.
Penwarden, A.D., 1973. Acceptablewind speedsintowns, Building Science 8, pp. 259-267

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Isyumov, N. and. Davenport A. G., 1975. Theground levelwind environmentin built-up areas, Prc. 4th Int. Conf. on Wind Effects on Buildings and Structures, London, pp.420-422.
Murakami S.et.al.,1981, Investigation on statistical characteristics of windat ground leveland criteria forassessing wind-induced discomfort : Part-ILong-term observation of wind at ground levelin built-uparea, Transactions of the Architectural Institute of Japan.(310), pp. 88-97 [in Japanese]
Murakami S.et.al., 1993, Investigation on wind environment for renovation project at Kyushima area in Nagoya, Architectural Institute of Japan [inJapanese]
P.J. Jones, G. E. Whittle, 2003. Computational fluid dynamics for building air flow prediction?current status and capabilities, Building and Environmnet Vol. 27(3), pp. 321-338.
Kim D.H. et al., 2006. CFD based prediction of wind road in site planning of apartment housing, Annual Conference Proceeding of the Architectural Institute of Korea BookII, pp. 665-668.
HongI. P., Song D. S., 2012. A Studyon Inlet Flow Profilein CFD Simulationfor Predicting Wind Environmentin Urban Area, Journalof AIK Vol. 28(1), pp. 311-318
Tominaga Y., 2008. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96,pp.1749-1761.

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Mochida A., Tabata Y., Iwata T., Yoshino H., 2008. Examining tree canopy models for CFD prediction of wind environment at pedestrian level, Journak of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96, pp.1667-1677

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Star CCM+ 5.06 Training Manual
John S. Irwin, 1979. A theoretical variation of the wind profile power-law exponent as a function of surfaceroughness and stability, Atmospheric Environment Vol. 13(1), pp. 191-194

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Qingyan Chen, 2004. Using Computational Tools to Factor Wind into Architectural Environment Design, Energy and Buildings, Vol.36, pp.1197-1209.

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Xianting Li, Zhen Yu, Bin Zhao, Ying Li, 2005. Numerical analysis of outdoor thermal environment around buildings, Building and Environment Vol. 40 pp.853-866.

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