[논문]CFD 모델을 이용한 체승 도시협곡의 흐름과 반응성 대기오염물질 확산 특성 연구

김은령; 박록진; 이대근; 김재진

doi:10.14191/atmos.2015.25.3.473

CFD 모델을 이용한 체승 도시협곡의 흐름과 반응성 대기오염물질 확산 특성 연구
A Study on the Characteristics of Flow and Reactive Pollutants' Dispersion in Step-up Street Canyons Using a CFD Model 원문보기

대기 = Atmosphere, v.25 no.3, 2015년, pp.473 - 482

김은령 (부경대학교 환경대기과학과) , 박록진 (서울대학교 지구환경과학부) , 이대근 (국립기상과학원 응용기상연구과) , 김재진 (부경대학교 환경대기과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, street canyons with a higher downwind building (so called, step-up street canyons) are considered for understanding characteristics of flow and reactive pollutants' dispersion as a basic step to understand the characteristics in wider urban areas. This study used a CFD_NIMR_SNU coupled to a chemistry module just including simple $NO_X-O_3$ photochemical reactions. First, flow characteristics are analyzed in step-up street canyons with four aspect ratios (0.33, 0.47, 0.6, 0.73) defined as ratios of upwind building heights to downwind building height. The CFD_NIMR_SNU reproduced very well the main features (that is, vortices in the street canyons) which appeared in the wind-tunnel experiment. Wind speed within the street canyons became weak as the aspect ratio increased, because volume of flow incoming over the upwind building decreased. For each step-up street canyon, chemistry transport model was integrated up to 3600 s with the time step of 0.5 s. The distribution patterns of $NO_X$ and $O_3$ were largely dependent on the mean flow patterns, however, $NO_X$ and $O_3$ concentrations were partly affected by photochemical reactions. $O_3$ concentration near the upwind lower region of the street canyons was much lower than background concentration, because there was much reduction in $O_3$ concentration due to NO titration there. Total amount of $NO_X$ in the street canyons increased with the aspect ratio, resulting from the decrease of mean wind intensity.

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AI 본문요약
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11. (a) Average NO_X and O₃ concentrations (b) total amount of NO_X and O₃ in the step-up street canyons.
접합 모델을 이용하여 체승(step-up) 도시협곡에서 체승비(step-up ratio)에 따른 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다. CFD_NIMR_SNU는 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식에 기초한 지배방정식 계를 가정한다. 난류 매개화를 위하여 표준 k-ε 난류 종결방안이 사용되었다.
배출원에서는 NOX가 각 격자 중심에서 100 ppb s−1의 배출률로 배출된다고 가정하였고, NO와 NO2의 배출량 비를 10대 1로 설정하였다.
그러나 상하층 간 농도 차이는 NO₂가 NO에 비해 작은 것을 볼 수 있는데, 이는 NO₂가 NO에 의한 O₃의 적정반응에서 생성되기 때문이다. 본 연구에서는 O₃의 배경농도가 40 ppb인 유입류를 가정하였다. 따라서, O₃의 농도는 풍하측 건물을 따라 도시협곡으로 유입될 때까지는 높지만, 도시협곡 바닥을 지나면서 NO에 의한 적정반응을 거치면서 낮아진다(Figs.
본 연구에서는 체승 도시협곡을 관통하는 도로를 가정하였고, 대기오염물질은 너비 32 m 도로면에서 배출된다고 가정하였다. 배출원에서는 NO_X가 각 격자 중심에서 100 ppb s⁻¹의 배출률로 배출된다고 가정하였고, NO와 NO₂의 배출량 비를 10대 1로 설정하였다.
본 연구에서는 CFD_NIMR_SNU를 이용하여 체승 도시협곡에서 모의한 흐름장을 Addepalli and Pardyjak(2013)의 풍동 실험 결과와 비교하고 CFD_NIMR_SNU의 체승 도시협곡 흐름 재현 성능을 분석하였다. 이 흐름장을 이용하고 도시협곡 바닥에서 NO_X가 배출된다는 가정하에 체승 도시협곡에서 광화학 반응에 의한 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Fig.

제안 방법

5초 간격으로 적분되었다. 3600초까지 시뮬레이션한 바람장을 이용하여 NO_X 순환 광화학 반응을 고려한 확산 모델을 적분하였다. 확산 모델은 0.
건물 지붕 위의 재순환 영역을 부분적으로 수치 모의하지 못했지만, 본 연구에서 사용한 전산유체역학 모델은 선행된 풍동실험 결과를 매우 현실적으로 재현하였다. 기존의 2차원 체승 도시협곡에 대한 수조 실험이나 수치 실험 결과에서는 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었으나, 선행된 풍동 실험과 본 연구에서는 풍상측 건물이 일정 고도보다 높은 경우에 서로 같은 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었다. 풍상측 건물이 높아질수록 풍하측 건물에 형성된 정체점 높이도 다소 증가하였다.
그러나 도시협곡으로 유입되는 유량이 감소하면서 도시협곡 내의 평균 풍속은 감소하였다. 도시협곡 내에서 배출된 NO_X와 외부로부터 유입되는 O₃의 확산 특성을 분석하였다. 대기오염물질의 대기 중 반응에도 불구하고, 분포 패턴은 주로 평균 바람장에 의존하였다.
본 연구에서는 3.1절에서 살펴본 두 경우를 포함한 4가지 체승비(0.33, 0.47, 0.6, 0.73)에 대해 수치 실험을 수행하였다. Figure 3은 체승비가 0.
본 연구에서는 CFD_NIMR_SNU를 이용하여 체승 도시협곡에서 모의한 흐름장을 Addepalli and Pardyjak(2013)의 풍동 실험 결과와 비교하고 CFD_NIMR_SNU의 체승 도시협곡 흐름 재현 성능을 분석하였다. 이 흐름장을 이용하고 도시협곡 바닥에서 NO_X가 배출된다는 가정하에 체승 도시협곡에서 광화학 반응에 의한 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 개발하여 기상연구소와 서울대학교가 공동으로 개발한 전산유체역학 모델(CFD_NIMR_SNU)과 접합하였다. 접합 모델을 이용하여 체승(step-up) 도시협곡에서 체승비(step-up ratio)에 따른 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 기상연구소와 서울대학교가 공동으로 개발한 전산유체역학 모델(CFD_NIMR_SNU)에 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 접합하였다. 이 접합 모델을 이용하여 체승 도시협곡에서 배출된 NO_X와 2차 대기오염물질인 O₃의 확산 특성을 분석하였다.
순환 광화학 반응 모듈을 접합하였다. 이 접합 모델을 이용하여 체승 도시협곡에서 배출된 NO_X와 2차 대기오염물질인 O₃의 확산 특성을 분석하였다.
그러나 체승비가 증가함에 따라 NO_X 평균 농도는 감소하고, O₃ 평균 농도는 증가하였다. 이와 같이 나타난 NO_X 평균 농도 변화 경향의 원인을 조사하기 위하여, 도시협곡 내에 존재하는 NO_X와 O₃의 총량을 조사하였다(Fig. 11b). 체승비가 증가함에 따라 도시협곡 내에 잔존하는 NO_X와 O₃의 총량은 증가함을 볼 수 있다.
순환 광화학 반응 모듈을 개발하여 기상연구소와 서울대학교가 공동으로 개발한 전산유체역학 모델(CFD_NIMR_SNU)과 접합하였다. 접합 모델을 이용하여 체승(step-up) 도시협곡에서 체승비(step-up ratio)에 따른 대기오염물질 확산 특성을 분석하였다. CFD_NIMR_SNU는 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식에 기초한 지배방정식 계를 가정한다.
체승 도시협곡에 대한 선행 풍동 실험 결과와 비교하여 전산유체역학 모델의 체승 도시협곡 흐름장 재현 능력 평가를 먼저 수행하였다. 건물 지붕 위의 재순환 영역을 부분적으로 수치 모의하지 못했지만, 본 연구에서 사용한 전산유체역학 모델은 선행된 풍동실험 결과를 매우 현실적으로 재현하였다.
체승 도시협곡에서 NO_X 배출에 따른 NO_X 순환 광화학 반응을 고려하여 반응성 대기오염물질 분포 특성을 분석하였다. Figure 7은 도시협곡 중앙(y/S = 0)에서의 대기오염물질 농도 분포를 나타낸다.
체승 도시협곡에서 NO_X 배출에 따른 NO_X 순환 광화학 반응을 모의하기 위하여, 미국 하버드 대학교에서 개발한 3차원 전지구 화학 모델(GEOS-Chem)로부터 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 이식하여 CFD_NIMR_SNU와 접합하였다. 화학 반응은 정확하고 효율적인 방법으로 알려져 있는 Sparse Matrix Vectorized Gear Code(SMVGEAR) solver를 사용하여 계산된다.
Figure 2는 y/S = 0에서 유선 분포와 연직 성분 속도 분포를 나타낸다. 풍동 실험과의 비교를 위하여, 연직 성분 속도는 풍하측 건물 높이에서의 유입류 풍속(U_hd)을 이용하여 무차원화(W/U_hd)하였다. 체승비가 0.
수치 도면 중앙에 두 개의 건물이 위치하여 협곡을 형성한다. 풍하측 건물 높이(H_d)를 96 m로 고정하고, 풍상측 건물 높이(H_d)를 32 m부터 70.4 m까지 12.8 m 간격으로 체계적으로 변화시키며 네 가지 경우를 설정하였다. 건물 너비(W_b), 건물 길이(L), 도시협곡 너비(S)는 32 m로 일정하다(Fig.
순환 광화학 반응 모듈을 접합한 전산유체역학(CFD_NIMR_SNU) 모델을 이용하였다. 풍하측 건물 높이, 건물 너비, 도시협곡 너비를 일정하게 설정하고, 풍상측 건물 높이를 체계적으로 변화시켜 4가지 체승비(풍하측 건물 높이에 대한 풍상측 건물의 높이비)를 갖는 체승 도시협곡을 고려하였다.
풍하측 건물 높이에 대한 풍상측 건물 높이의 비(H_u/H_d)로 정의되는 체승비가 0.33인 경우와 0.6인 경우에 대하여, Addepalli and Pardyjak (2013)의 풍동실험 결과와 CFD_NIMR_SNU 모델 결과를 비교하였다. Figure 2는 y/S = 0에서 유선 분포와 연직 성분 속도 분포를 나타낸다.

이론/모형

화학 반응은 정확하고 효율적인 방법으로 알려져 있는 Sparse Matrix Vectorized Gear Code(SMVGEAR) solver를 사용하여 계산된다. 광화학 반응 계수는 Wild et al. (2000)이 개발한 Fast-J 알고리즘을 이용하여 계산한다. 본 연구에서 사용한 CFD_NIMR_SNU는 물리 과정을 포함하지 않기 때문에 건식 침적 과정만을 고려하고 NO_X 순환 광화학 반응 모듈은 NO_X와 O₃ 사이의 광화학 반응을 모의할 수 있다.
난류 매개화를 위하여 표준 k-ε 난류 종결방안이 사용되었다.
바람(U, V, W), 난류운동에너지(k)와 난류운동에너지의 소멸율(ε)에 대한 초기 조건은 Castro and Apsley(1997)가 제시한 다음의 연직 분포를 사용하였다.
본 연구에서는 체승(step-up) 도시협곡 내 흐름과 반응성 대기오염물질의 확산 특성을 이해하기 위하여 NO_X 순환 광화학 반응 모듈을 접합한 전산유체역학(CFD_NIMR_SNU) 모델을 이용하였다. 풍하측 건물 높이, 건물 너비, 도시협곡 너비를 일정하게 설정하고, 풍상측 건물 높이를 체계적으로 변화시켜 4가지 체승비(풍하측 건물 높이에 대한 풍상측 건물의 높이비)를 갖는 체승 도시협곡을 고려하였다.
난류 매개화를 위하여 표준 k-ε 난류 종결방안이 사용되었다. 지배방정식 계의 수치해는 유한체적법(finite volume method)과 SIMPLE (semiimplicit method for pressure linked equation) 알고리즘을 이용하여 엇갈림(staggered) 격자 체계에서 풀이된다.
순환 광화학 반응 모듈을 이식하여 CFD_NIMR_SNU와 접합하였다. 화학 반응은 정확하고 효율적인 방법으로 알려져 있는 Sparse Matrix Vectorized Gear Code(SMVGEAR) solver를 사용하여 계산된다. 광화학 반응 계수는 Wild et al.

성능/효과

대기오염물질의 대기 중 반응에도 불구하고, 분포 패턴은 주로 평균 바람장에 의존하였다. NO_X 농도는 도시협곡 하층의 풍상측 건물 부근에서 가장 높게 나타났으며, 체승비가 증가함에 따라 평균 풍속이 감소하면서 NO_X의 총량은 증가하였으나, 평균 농도는 감소하였다. O₃ 농도 분포의 경우, NO와의 적정 반응 때문에 NO_X 농도가 높은 도시협곡 하층의 풍상측 건물 부근에서 가장 낮게 나타나는 등 NO_X 농도 분포와 반대의 경향을 나타냈다.
체승 도시협곡에 대한 선행 풍동 실험 결과와 비교하여 전산유체역학 모델의 체승 도시협곡 흐름장 재현 능력 평가를 먼저 수행하였다. 건물 지붕 위의 재순환 영역을 부분적으로 수치 모의하지 못했지만, 본 연구에서 사용한 전산유체역학 모델은 선행된 풍동실험 결과를 매우 현실적으로 재현하였다. 기존의 2차원 체승 도시협곡에 대한 수조 실험이나 수치 실험 결과에서는 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었으나, 선행된 풍동 실험과 본 연구에서는 풍상측 건물이 일정 고도보다 높은 경우에 서로 같은 방향으로 회전하는 두 개의 소용돌이가 형성되었다.
45)에서의 농도 분포를 나타낸다. 도시협곡 중앙 부근(Fig. 7)과 비교하였을 때, NO_X가 풍하측 지역으로 더 확장되어 나타났고, 이에 따라 O₃의 NO에 의한 적정이 일어나는 지역이 풍하측 지역으로 더 확장되는 것을 확인할 수 있다. 도시협곡 중앙 부근의 하층에서는 역류가 우세하게 나타나기 때문에 풍하측 방향으로의 NO_X 수송은 억제된다.
현재 활용 중인 대기질 예측 모델의 대다수는 수 km 이상의 공간 해상도를 갖고 있다. 수 km의 공간 해상도는 도시 지역 대기오염물질에 대한 배경 농도 정보만을 제공할 수 있기 때문에, 본 연구 결과는 대기질 모델로 예측된 결과가 실제 도시에서 보행자 고도의 관측 결과와 큰 차이를 나타낼 수 있다는 것을 시사한다.
CFD_NIMR_SNU는 건물 지붕 위의 재순환 영역을 수치 모의하지 못했지만, 두 개의 시계방향으로 회전하는 소용돌이를 잘 재현하였다. 이상에서 본 바와 같이, CFD_NIMR_SNU는 체승 도시협곡의 평균 흐름장에 대한 Addepalli and Pardyjak(2013)의 풍동 실험 결과를 매우 잘 재현하였고, 따라서, 체승 도시협곡의 흐름을 수치 모의하고 흐름 특성을 파악하는 데 적절한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체승(step-up) 도시협곡이란 무엇인가?	이에 따라 건물과 건물 사이의 공간을 일컫는 도시협곡이 늘어났다. 체승(step-up) 도시협곡이란 도시협곡을 이루는 풍상측 건물보다 풍하측 건물이 높은 도시협곡을 이르는 용어로써 도시 지역에서 매우 흔히 나타날 수 있는 구조이다. 도시협곡에서는 배경 대기의 조건, 건물 높이, 너비와 도로 너비의 비에 따라 다양하고 복잡한 흐름 패턴이 나타날 수 있다(Oke, 1988; Jeong and Park, 1999).
	본 연구에서 CFD_NIMR_SNU 모델의 난류 매개화를 위하여 무엇을 사용하였는가?	CFD_NIMR_SNU는 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식에 기초한 지배방정식 계를 가정한다. 난류 매개화를 위하여 표준 k-ε 난류 종결방안이 사용되었다. 지배방정식 계의 수치해는 유한체적법(finite volume method)과 SIMPLE (semiimplicit method for pressure linked equation) 알고리즘을 이용하여 엇갈림(staggered) 격자 체계에서 풀이된다.
	O3는 인간에게 어떠한 영향을 미치는가?	이 O3은 공기 중의 탄화수소와 반응하여 시정 거리를 악화시키고 호흡기 질환 등을 가져오는 광화학 스모그를 발생시킨다. O3은 그 농도가 일정 수준 이상으로 높아지면 눈에 자극을 주거나 폐 기능 저하를 가져오는 등 인간의 건강과 환경에 심각한 악영향을 끼친다. NO2가 공기 중 수증기와 반응하게 되면 식물의 성장을 저해하고 건축물을 부식시키는 산성비의 원인이 되기도 한다(Shin et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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