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문제 정의
- 본 연구는 CFD를 내풍 설계에 직접적으로 적용하기 위한 전 단계의 연구이다. Hybrid RANS/LES 를 통한 곡면 구조물의 외부 유동 해석이 어느 수준의 신뢰도를 갖는지 검토하는 것에 초점을 두었으며, 풍동 실험1)과 동일한 조건에서 돔 형상을 대상으로 해석을 진행하였다.
제안 방법
- 해석 기법으로는 Hybrid RANS/LES 기법 중 가장 대표적인 Improved Detached Eddy Simulation (IDDES)을 사용하였다. 2개의 레이놀즈수를 가진돔 형상에 대해 비정상 상태 해석을 수행하여 돔 외부의 평균 풍압 계수, 변동 풍압 계수 및 풍압 스펙트럼을 산출하여 실험값과 비교하였다.
- Re = 2.0× 106을 가진 돔의 유동에서 박리점 이전(약 θ = 100°), 박리점 주변(약 θ = 115°), 박리점 이후(약 θ = 160°)에 대한 세 점의 풍압 스펙트럼을 비교하였다.
- 이는 도메인 바닥에 대한 Wall function의 사용에 따른 해석적 오차로 인한 것으로 추정된다. 본 연구에서는 해석의 효율성을 위해 바닥면의 격자를 로그 영역(Log-layer)에 위치시켜 벽 함수에 의해 바닥면을 해석하였다. 이는 실제 지표면의 경계층 효과에 의해 발달된 난류가 해석으로 충분히 재현되지 못함을 의미하므로 풍상측 평균 풍압 분포의 과대평가와 변동 풍압 계수의 과소평가가 나타난 것으로 판단된다.
- 0 × 10-4 s의 일정한 값으로 설정하였다. 이산화는 Implicit second-order scheme을 통해 진행되었으며, 시간 증분에 따른 반복 계산에서 해석 도메인의 전체 유동에 따른 운동량과 난류 운동 에너지(Turbulence kinetic energy) 에 대한 Residual이 0.1% 이하(Normalized residual=10-4 )가 되도록 최소 8번의 반복 계산을 통해 이루어졌다. 총 2.
- 4]는 풍동 및 돔 형상의 모습이다. 풍동의 폐쇄율은 5.4%로 경계층 효과의 최소화를 위해 바닥 면을 띄운 상태에서 진행되었으며, 200개의 풍압 계측 센서를 통해 돔 외부의 풍압을 계측하였다.
- 도메인은 돔의 지름을 기준으로 8D × 6D × 4D 의 크기를 가진 직육면체로 설정하였다. 후류에 의한 와류 방출 효과 등이 풍압의 변동에 미칠 영향을 충분히 재현하기 위해 돔의 중심은 속도의 유입구를 기준으로 2D만큼 떨어지게 배치하여 충분한 후 류 영역을 확보하였다.
대상 데이터
- Focus Region의 격자는 대부분 작고 균등한 등방성 격자(Isotropic mesh)를 사용하였다. 이는 LES로 해석될 후류 영역의 격자 크기를 변하게 하는 필터 스케일 변화로 인한 수치적 오류를 방지하기 위함이다.
- 본 연구는 CFD를 내풍 설계에 직접적으로 적용하기 위한 전 단계의 연구이다. Hybrid RANS/LES 를 통한 곡면 구조물의 외부 유동 해석이 어느 수준의 신뢰도를 갖는지 검토하는 것에 초점을 두었으며, 풍동 실험1)과 동일한 조건에서 돔 형상을 대상으로 해석을 진행하였다.
- 도메인은 돔의 지름을 기준으로 8D × 6D × 4D 의 크기를 가진 직육면체로 설정하였다.
- 본 연구에서 실험과 동일한 조건으로 지름 1.2m 의 돔 형상을 대상으로 15m/s와 25m/s의 균등류에 대한 해석을 수행하였다. 돔의 지름을 특성 길이라 할 때의 레이놀즈수는 각각 1.
- 이는 LES로 해석될 후류 영역의 격자 크기를 변하게 하는 필터 스케일 변화로 인한 수치적 오류를 방지하기 위함이다. 상대적으로 돔과 멀리 떨어진 Outer Region은 해석의 효율성을 위해 비교적 큰 크기의 등방성 격자로 구성하였다.
이론/모형
- RANS 기법을 통해 계산된 정상 상태(Steadystate)의 평균 유동을 초기 조건으로 사용하였다. 시간 증분(Time step)은 5.
- 바닥면 격자는 로그 영역 (Log-layer)인 30 ≤ y+ ≤ 500 범위에 위치시켜 벽 함수(Wall function)를 통해 해석되도록 하는 Wall function approach를 적용하였다[Fig. 7].
- 본 연구에서는 Improved delayed DES 기법을 사용하여 돔 표면의 풍압 계수 및 풍압 스펙트럼을 산정하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 해석 격자는 Spalart(2001)가 제시한 방법에 따라 전체 도메인 영역을 Dome Region (DR), Focus Region (FR), Outer Region (OR)로 분류하여 생성 하였다5). [Table 2]는 세 영역에서의 격자 크기 및 생성된 총 격자의 수를 나타내며, [Fig.
- 해석 기법으로는 Hybrid RANS/LES 기법 중 가장 대표적인 Improved Detached Eddy Simulation (IDDES)을 사용하였다. 2개의 레이놀즈수를 가진돔 형상에 대해 비정상 상태 해석을 수행하여 돔 외부의 평균 풍압 계수, 변동 풍압 계수 및 풍압 스펙트럼을 산출하여 실험값과 비교하였다.
성능/효과
- 1) IDDES을 통해 구해진 돔 표면의 평균 풍압과 변동 풍압 분포는 실험값과 유사한 결과를 보여준다. 특히 레이놀즈수 변화에 따른 박리점의 이동 및 후류 영역에서의 변동 풍압 계수 감소와 같은 특징을 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.
- 2) IDDES 해석에 의해 계산된 변동 풍압의 파워 스펙트럼은 전체적인 분포가 실험과 유사하나, 유동 박리(Flow separation)가 일어나는 국소적인 구간인θ = 120°근방에서 실험값과 차이를 보인다. 또한 고진동수 영역인 fD/U = 100∼ 101 에서 해석에 의한 스펙트럼이 실험값에 비해 과소평가되는 경향을 보였다.
- 1% 이하(Normalized residual=10-4 )가 되도록 최소 8번의 반복 계산을 통해 이루어졌다. 총 2.4만개의 시간 증분으로 해석을 수행하였고, 과도기를 고려하여 처음 2초의 시간을 해석 시간에서 제외하여 총 10초의 평가 시간을 통해 결과 값을 도출하였다. [Fig.
- 특히 dCp/dθ = 0인 박리점의 이동, Re = 2.0× 106 의 후류 구간 변동 풍압 계수 감소와 같이 레이놀즈수의 변화에 따라 달라지는 풍압의 특성이 수치 해석에 의한 결과에 잘 드러나고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 추후 내풍 설계 기준 평가 시간을 고려한 유동 해석 및 난류 유입구의 재현을 통한 풍하중 산정 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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