[논문]해안림의 방풍 효과에 영향을 미치는 설치 파라미터 분석

신종현; 장세명; 박기형; 윤호중

doi:10.6112/kscfe.2015.20.2.052

[국내논문] 해안림의 방풍 효과에 영향을 미치는 설치 파라미터 분석
INSTALLATION PARAMETERS EFFECTING ON THE WIND PROOF OF A COASTAL FOREST 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.20 no.2 = no.69, 2015년, pp.52 - 60

신종현 (군산대학교 일반대학원 기계공학과) , 장세명 (군산대학교 기계자동차조선해양공학부) , 박기형 (국립산림과학원 산림방재연구과) , 윤호중 (국립산림과학원 산림방재연구과)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this research lies in the effect of installation parameters influencing on the wind proof performance of the coastal forest for damage prevention. The dissipation ratio of incident wind power is developed as an assessment index to make a lumped parameter study possible. From the real field data of East, West, and South Sea bounded on the Korean peninsula, single and double storied forests were modeled in three-dimensional shape with computer aided design, and so was done the artificial structures such as wind break, sand accumulating fence, and sand dune, etc With a commercial code ANSYS-CFX, the computational result from the comparison of dissipation ratio between single and double storied forest shows the effect of composition, and also the installation effect is investigated for artificial structures with optimal dimension of distance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구를 통하여 산림 분야에 대한 연구에 CFD 기법을 사용할 때 큰 영역의 유동공간에서 관심영역을 설정하여 소산률을 도출해 내는 방법, 해안림과 방풍책의 거리에 따른 방풍 효과를 분석하여 최고의 방풍효과를 내는 방풍책과 숲의 거리 등을 분석하고자 한다.
본 연구에서는, 해안림의 방풍 효과에 영향을 미치는 부가파라미터들 중 처음 조성한 숲을 자연 상태로 자라게 나둔 단층림과 인공적으로 수령, 수고가 다른 수목으로 구성된 나무들을 2 ~ 3층의 구조로 조성한 복층림 효과 비교, 숲 내부에 관목 식재하는 경우, 그리고 방풍림 앞에서 방풍책과 해안사구, 퇴사울의 최적 설치 조건을 알아보기 위해 해안사구의 높이, 방풍책과 숲의 거리에 따른 소산률을 비교해 보았다.

제안 방법

단층림과 복층림은 대상지의 야장을 바탕으로 실제 나무의 수고 데이터를 바탕으로 모델링 하였다. 나무의 형상은 실제 야장의 나무들의 데이터들을 취합하여 만든 임목 평균 모델을 사용하였다[9].
본 연구에서는 해안 방재림의 실제 야장 데이터를 이용하여 부가적으로 방재림의 효과를 증대시킬 수 있는 복층림과, 인공 구조물인 방풍책과 퇴사울, 해안 사구를 계산 영역에 모델링 하였다. 방재림의 효과 중 방풍 효과를 바람에너지 소산률 계산을 통하여 평가하였고, 개방 경계조건의 영향을 최소화하기 위한 높이 25 m의 유동 공간에서 실시하였다.

이론/모형

단층림과 복층림은 대상지의 야장을 바탕으로 실제 나무의 수고 데이터를 바탕으로 모델링 하였다. 나무의 형상은 실제 야장의 나무들의 데이터들을 취합하여 만든 임목 평균 모델을 사용하였다[9]. 두 숲은 20 m × 20 m 영역에 조성하였으며, 단층림은 Fig.
본 연구에서는 방재림의 효율을 손쉽게 나타낼 수 있도록 집중 파리미터(lumped parameter)를 사용하기로 한다. 방재림의 역할은 바람장의 운동 에너지를 점성 마찰, 경계층 박리, 난류 등의 유체 물리 현상에 의해 소산시키는데 있으므로, 숲에 입사 및 방출되는 유동장의 운동 동력(kinetic power, L_k), 즉 시간당 에너지를 고려한다.
본 연구에서는 지배방정식으로 3차원 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용한다.
여기에서, V는 속도벡터, p는 압력, ρ는 공기의 밀도, μ는 점성 계수를 나타낸다. 이 외의 계산 영역의 길이 스케일이 300 m에 이르는 거대 규모이므로, 난류효과에 대한 고려가 포함되어야 하며, 본 연구에서는 특히 후류 유동장의 정확도에 장점을 가진 k-ω SST 난류 모델을 사용하였다.

성능/효과

이상의 분석으로부터, 와도를 측정하는 것이 거대 규모의 난류 유동장에서 나타나는 후류의 소산을 예측하거나 평가하는데 있어 가장 효과적이라는 사실을 알 수 있었다. 유동 속도장은 단순히 소산이 일어나고 있는 현상만을 보여주고, 유선은 와류의 크기나 난류에 의한 변형 정도를 보여주지만, 와도는 소산의 강도와 비례하는 수치를 보여준다.
복층림을 조성하면 소산률이 증가하지만 그 증가 폭이 2% 내로 매우 미미하며 추가적으로 수관부의 투과율을 고려한다면 그 증가 폭이 더 낮을 것으로 예상된다. 인공 구조물을 조성하는 것이 방재림의 효과를 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 그 인공 구조물의 효과를 증가시킬 수 있는 최적의 거리를 제시하여, 실제 야장에 각 인공 구조물을 설치할 때 참고할 수 있는 데이터들을 확보할 수 있었다.

후속연구

이러한 해안 구조물의 거리에 따른 계산 결과는 최적의 거리만 찾아낸 것이 아니라 그 속에 들어있는 유동 물리를 분석한 것으로, 이를 바탕으로 바람의 에너지를 최대한 소산시키는 공학설계 기법을 구축한다면 추후 풍력발전단지 최적화 등에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진해일 시뮬레이션 프로그램을 통하여 어떠한 결과를 도출하였는가?	일본에서는 2000년대 들어 지진으로 인한 해일(쓰나미) 피해가 급증하면서 해안 방재림의 중요성이 부각되어 일본 동부 연안지역에 활발히 조성하고 있을 뿐만 아니라 다양한 연구가 진행되고 있다[1]. 특히 지진해일 시뮬레이션 프로그램을 지속적으로 개발하여 약 200 m의 해안림의 폭을 조성하는 것이 피해를 70%이상 감소시킬 수 있다는 연구 결과를 도출해 낸 바 있다[2]. 이렇듯, 일본에서는 다양한 연구들을 토대로 해안방재림을 조성, 관리하고 있으며, 나아가 지진해일 방재효과를 극대화 할 수 있는 적정 임목 식재모델을 개발하고 있다[3].
	국내의 해안림에 대한 연구 현황은 어떠한가?	현재 국내의 해안림에 대한 연구 현황을 살펴보면 1980년대부터 2000년대 직전까지는 해안림의 임분구조와 식생분포[4,5], 해안사구의 식생조사와 현존량 파악[6], GIS 및 위성자료를 이용한 해안 환경림 조사[7] 등 주로 해안림과 해안사구지의 식생에 대한 일부 기초적인 현황 조사 연구가 주로 진행되어 왔으며, 최근에 이르러서야 방재림 내부 수목의 3차원 모델링과 전산유체역학 기법을 이용한 연구 결과들이 도출되고 있다[8-11]. 이러한 연구 결과는 추후 해안 방풍림의 조성을 위한 기초 자료 및 해석 방법으로 사용될 수 있다.
	집중 파리미터가 클수록 무엇을 추정할 수 있는가?	방재림의 역할은 바람장의 운동 에너지를 점성 마찰, 경계층 박리, 난류 등의 유체 물리 현상에 의해 소산시키는데 있으므로, 숲에 입사 및 방출되는 유동장의 운동 동력(kinetic power, Lk), 즉 시간당 에너지를 고려한다. 이 파라미터가 클수록 숲에 의해 빼앗기는 운동에너지가 더 커지므로 방재림 본연의 목적에 더 가까이 접근했다고 추정한다.

참고문헌 (12)

2005, Chun, K.W., Kim, S.W., Kim, K.N., Nakashima, Y. and Ezaki, T., "Coastal Forest Construction and Non- Structural Measures for Preventing Tsunami Damage-In Case of Japan," Journal of Korean Forestry Society, Vol.94, No.3, pp.197-204.
2003, Harada, K. and Imamura, F., "Evolution of Tsunami Reduction by Control Forest and possibility of Its Use for Mitigation," JSCE, Vol.50, pp.341-345.
2005, Harada, K. and Imamura, F., "Effects of Coastal Forest on Tsunami Hazard Mitigation - a Preliminary Investigation, In: Tsunamis: Casr Studies and Recent Developments," Advances in Natural and Technological Hazards Research, Vol.23, pp.279-292.
1986, Choi, M.G., "Relationship between Tree Species Distribution and Soil Salt Concentration in East Coastal Forest Characteristics of Salt Tolerance in Tree Species (I)," Journal of Korean Forestry Society, Vol.73, No.1, pp.1-8.
1998, Jung, Y.G. and Kim, J.W., "Coastal Sand Dune Vegetation in Kyungpook Province," Journal of Ecology and Environment, Vol.21, No.3, pp.257-262.
1983, Lee, W.C., "Floristic Composition and Standing Crop of the Sand Dune on the Southern Coast Ecological Studies on the Coastal Plants in Korea," Journal of Ecology and Environment, Vol.6, No.3, pp.177-186.
2000, Park, Y.J. and Kim, W.N., "Investigation of Environmental Forest in Coastal Zone by Using Landsat TM Data," Ganfneung National University East Coastal Research 2000 International Symposium, pp.46-54.
2012, Park, T.W., Chang, S.M. and Lee, B.D., "Benchmark Tests for CFD Codes for the Analysis of Wind Field in the Forest," Journal of Computational Fluids Engineering, Vol.17, No.2, pp.11-14.
2013, Park, T.W., Chang, S.M., Kim, S.R., Lee, Y.J. and Youn, H.J., "Analysis on the Composition Effect of Forest for Damage Prevention Using CFD," Journal of Computational Fluids Engineering, Vol.18, No.1, pp.69-76.
2014, Lee, S.D. and Kim, M.J., "Effects of Disaster Prevention of a Coastal Forest Considering Wave Attenuation Ability," Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol.14, No.5, pp.381-388.

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2015, Shin, J.H., Chang, S.M., Jang, M.N., Lee, Y.J. and Youn, H.J., "Quantitative Analysis on the Decrease of Wind Energy from the Composition Effect of the Coastal Forest for Damage Prevention - the Correlation of Dissipation Ratio to Stand Density -," Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol.15, No.1, pp.361-368.

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2013, ANSYS Inc., ANSYS-CFX Solver Theory Guide R15.0, Canonsburg, PA, United States.

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