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문제 정의
- 복잡 지형모형에 대해서 종류가 다른 추적자를 사용한 확산실험과 CFD모델이 적정한 오차 범위 안에서 일치했다. 이러한 결과는 열과 SF6를 확산 추적자로 사용한 풍동실험과 CFD 모델에 대해 신뢰성을 높여준다. CFD모델과 열 혹은 SF6 가스를 추적자로 사용한 풍동실험은 조절 가능한 확산실험환경을 보장함으로써, 산악과 도심 등의 복잡 지형에 대한 새로운 대기 확산모델 개발에 유용한 검증수단이 된다.
제안 방법
- CFD 모덜에서 지형모형 풍상 측 유속분포가 풍동의 접 근류와 유사한한 난류 특성을 지니도록, 유 동장 입구에 접한 일정 공간에 시깐 및 공간에 대해 무작위로 명멸하는 forcing 함수'를 분포시켰다, 비압축성 Navier-Stokes 방정식과 물질이동방정식을 토대로 기류와 SF& 가스/온도 확산과정을 해석했다.
- 배출원에서 열과 SF6 가스는 일정한 속도로 연속적으로 배출된다. 각 측정지점에서는 온도와 SFo 농도의 시간 평균을 구했다. 본 연구에서와같이 배출 및 기류 조건이 동일하고 온도변화가 높지 않은 경우, 열확산과 SFe 확산은 이론적으로 동일한 패턴을 따른다’ 열/SFg확산실험에서 온도/SFCFD 모델은 공간에 대해서는 2차 정확도, 시간에 대해서는 3차 정확도의 FDM 차분방정식으로부터 구성했다.
- 동일한 기류 조건을 대상으로 각각 열과 SFo를 추적자로 하여 확산실험을 반복하여 수행했다. 각 확산실험에서 열원(히터)과 SF(i 배출원(가스 방출구)의 위치는 동일하며, 배출원의 형태(원기둥) 또한 유사하게 제작함으로써 추적자의 종류를 제외한 나머지 확산조건이 유사하도록 실험조건을 설정하였다. 배출원의 높이는 지면에서 10cm(실제 지형 100m)이다.
- 접 근류의 풍속은 풍동 바닥으로부터 40cm 높이 (실지 형 기준 400m)에 서약 4m/sec 로 설정했다. 동일한 기류 조건을 대상으로 각각 열과 SFo를 추적자로 하여 확산실험을 반복하여 수행했다. 각 확산실험에서 열원(히터)과 SF(i 배출원(가스 방출구)의 위치는 동일하며, 배출원의 형태(원기둥) 또한 유사하게 제작함으로써 추적자의 종류를 제외한 나머지 확산조건이 유사하도록 실험조건을 설정하였다.
- 야외확산실험과 비교하여 풍동은 조절 가능한 기상 조건을 제공할 뿐 아니라 고해상도의 기류 측정이 가능하다. 본 연구에서는 각각 4가지 풍향에 대해서 20개 위치에서 연직 방향으로 15개 고도의 풍속을 측정했다(풍속측정 지점 수=1200=4x20시 5). 신뢰도 높은 실험 결과를 얻기 위해서 각각 열과 SF6를 추적자로 사용하여 확산실험을 반복 수행하여 비교 분석하였다.
- 각 측정지점에서는 온도와 SFo 농도의 시간 평균을 구했다. 본 연구에서와같이 배출 및 기류 조건이 동일하고 온도변화가 높지 않은 경우, 열확산과 SFe 확산은 이론적으로 동일한 패턴을 따른다’ 열/SFg확산실험에서 온도/SFCFD 모델은 공간에 대해서는 2차 정확도, 시간에 대해서는 3차 정확도의 FDM 차분방정식으로부터 구성했다. 수평 방향 모델 격자의 크기는 균등하게 약 3cm(실지 형 기준 30m)이고 연직 방향 모델 격자의 크기는 균등하게 2cm(실지 형 기준 20m)이다.
- 본 연구에서는 각각 4가지 풍향에 대해서 20개 위치에서 연직 방향으로 15개 고도의 풍속을 측정했다(풍속측정 지점 수=1200=4x20시 5). 신뢰도 높은 실험 결과를 얻기 위해서 각각 열과 SF6를 추적자로 사용하여 확산실험을 반복 수행하여 비교 분석하였다. 아울러 최신 이론에 근거한 CFD 모델을 구성하여 풍동실험을 해석했다.
- 신뢰도 높은 실험 결과를 얻기 위해서 각각 열과 SF6를 추적자로 사용하여 확산실험을 반복 수행하여 비교 분석하였다. 아울러 최신 이론에 근거한 CFD 모델을 구성하여 풍동실험을 해석했다. 풍동실험에 대해 검증된 CFD 모델은 유용한 도구이다.
- 열과 SF(i 가스를 추적자로 사용한 확산실험은 (쥐 현대건설기술연구소의 대형 경계층 풍동(Eiffel type)에서 수행하였다. 풍동 전장은 53m이며, 측정공간은 25m(길이) 2.
- 5m(폭)이다. 지형모형(재질: 압축스티로폴)은 실제 산악지형을 1/1000 크기로 축소하여 제작하였다. 실지 형에 해당하는 모형의 원 형부 지름은 3.
- 풍동과 CFD모델을 이용하여 표고 차가 큰 실제 지형을 1/1000로 축소시킨 실험실 규모의 확산실험을 수행했다. 야외확산실험과 비교하여 풍동은 조절 가능한 기상 조건을 제공할 뿐 아니라 고해상도의 기류 측정이 가능하다.
- 풍속은 일정 수평 간격의 격자 형상으로 배치된 20군데에서 연직 방향으로 15개 고도(5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500 m)에서 다점 풍속계(System6242-modell550, Kanomax, Japan) 를 사용하여 측정했다. 접 근류의 풍속은 풍동 바닥으로부터 40cm 높이 (실지 형 기준 400m)에 서약 4m/sec 로 설정했다.
대상 데이터
- 열과 SF(i 가스를 추적자로 사용한 확산실험은 (쥐 현대건설기술연구소의 대형 경계층 풍동(Eiffel type)에서 수행하였다. 풍동 전장은 53m이며, 측정공간은 25m(길이) 2.5m(높이) 4.5m(폭)이다. 지형모형(재질: 압축스티로폴)은 실제 산악지형을 1/1000 크기로 축소하여 제작하였다.
이론/모형
- 수평 방향 모델 격자의 크기는 균등하게 약 3cm(실지 형 기준 30m)이고 연직 방향 모델 격자의 크기는 균등하게 2cm(실지 형 기준 20m)이다. 격자 크기 이하 난류 현상에 대해서는 LES 모델을 사용했다 (Smagorinsky, 1963; Murakami, 1993). 모델링 영역 내에 고체 면에서 점착 조건은 VBM 기법을 적용하여 만족시켰다(Pe아dn, 1977, Lee 2003).
- 격자 크기 이하 난류 현상에 대해서는 LES 모델을 사용했다 (Smagorinsky, 1963; Murakami, 1993). 모델링 영역 내에 고체 면에서 점착 조건은 VBM 기법을 적용하여 만족시켰다(Pe아dn, 1977, Lee 2003).
성능/효과
- △ LES 난류 모델을 사용한 CFD모델에서 무작위로 명멸하는 forcing 함수를 상류에 배치하여 입구의 난류 조건을 실험과 유사하게 설정했을 때, 복잡 지형모형에 대한 풍동살험과 CFD 모 델 간에 전체적인 유 동장 경향(지표층 높이, 후류 발생 형상 등)이 잘 일치했다.
- CFD모델과 열 혹은 SF6 가스를 추적자로 사용한 풍동실험은 조절 가능한 확산실험환경을 보장함으로써, 산악과 도심 등의 복잡 지형에 대한 새로운 대기 확산모델 개발에 유용한 검증수단이 된다. 취급이 위험하거나 분석이 까다로운 유해가스나 SF& 가스 대신 열을 추적자로 사용해도 적정한 조건하 에서 실험이 수행될 경우 합리적인 결과를 얻을 수 있음을 확인했다. 아울러 본 연구를 통해 검증된 CFD 모델은 직접적인 풍동실험이 불가능한 조건에 대해서도 확대 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 취급이 위험하거나 분석이 까다로운 유해가스나 SF& 가스 대신 열을 추적자로 사용해도 적정한 조건하 에서 실험이 수행될 경우 합리적인 결과를 얻을 수 있음을 확인했다. 아울러 본 연구를 통해 검증된 CFD 모델은 직접적인 풍동실험이 불가능한 조건에 대해서도 확대 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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