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문제 정의
- (5) 실측값과의 비교를 통해 어떤 경우가 보행자 영역의 풍환경을 가장 잘 나타내었는지 알아보았다.
- 그 결과물은 결국 실측한 결과와 차이가 난다. 따라서 본 연구에서는 보행자 영역의 풍환경을 정확히 분석하기 위해 우리나라와 자연환경이 비슷한 일본의 가이드라인 중 Mochida가 제시한 canopy model을 적용하여 수목(Canopy)이 풍환경에 미치는 영향에 대해 알아보고 CFD 시뮬레이션 이용 시Canopy Model을 적용할 것을 제안하는데 목적을 두고 있다.
제안 방법
- (1) 보행자 영역의 분석을 위한 CFD 모델링을 위해 일본의 AIJ2)가이드라인을 분석하였다.
- (2) 일본 AIJ가이드라인 중 유체학적저항 요소를 적용한 Canopy Model에 대해 분석 및 방법을 고찰하였다.
- (3) 대상지를 선정하여 실측하고 실측 데이터를 정리하여 CFD 입력조건을 추출하였다.
- (4) CFD 모델링 시 Canopy Model을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 모델링하여 실측값과 시뮬레이션 풍속값을 비교하였다.
- AIJ Working Group에 의해 2008년 발표된 가이드라인은 실측과 풍동실험,CFD 시뮬레이션을 실시하여 각 변수가 CFD 결과값에 미치는 영향을 파악 및 7개의 Benchmark Test를 통해 풍환경 분석을 위한 가이드라인을 체계화하였다.(표 1,그림 1참조)
- 측정을 위해 한강지점은 Davis기상관측 장비를 사용하였고, 1~6번 지점은 Lutron AM -4214SD 열선 풍속계와 간이 풍향계를 사용하였다. 간이 풍향계에는 인원을 배치하여 풍향 데이터를 5분 간격으로 수집하였다.
- 본 연구에서 중점적으로 다루고 있는 지표면으로부터 2m 이내의 풍환경을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 실측 대상지의 최소 GridSize는 1m로 설정하였다6) 또한 바닥 면에 Prism Layer를 설정하여 지표면으로부터 2m 이내에 최소 3개 이상의 격자가 배치될 수 있도록 하였고,대상지는 도메인 상에서 중심에 위치하도록 하였다.
- 여기에 그치지 않고 실측값과 오차를 더 줄이기 위해 α값을 변화시켜 CanopyModel을 적용해 보았다. 실측 데이터와 가장 작은 편차를 보이는 경우를 찾기 위해 각 지점별 실측 풍속과 시뮬레이션 풍속 값의 편차를 살펴보았다. (그림 13~15참조)
- 여기에 그치지 않고 실측값과 오차를 더 줄이기 위해 α값을 변화시켜 CanopyModel을 적용해 보았다.
- 이중 수목은 풍환경에 가장 영향을 미치는 인자이기 때문에 수목에 의한 풍속감소 효과가 큰 곳에서는 수목을 3D로 모델링 해야한다. 이에 따라서 Mochida는 수목모델링 부분에 풍속감소와 난류에너지 증가, 난류에너지 소산율 증가를 표현할 수 있는 Canopy Model을 설정하여 수목의 영향을 표현하였다.
- 도심지의 풍속/풍향 분포를 측정하기 위해 서울시 반포지구의 H아파트(12층) 단지를 대상으로 총 7지점의 풍속/풍향을 측정하였다. 측정을 위해 한강지점은 Davis기상관측 장비를 사용하였고, 1~6번 지점은 Lutron AM -4214SD 열선 풍속계와 간이 풍향계를 사용하였다. 간이 풍향계에는 인원을 배치하여 풍향 데이터를 5분 간격으로 수집하였다.
- 수목이 있는 부분에 풍속 감소와 난류에너지 및 난류에너지 소산율의 증가를 표현하기 위한 추가 방정식을 적용하기 위해서는 수목이 모델링된 부분과 해석 도메인의 Interface 처리가 필요하다. 하지만 Trimmergrid의 경우 수목과 해석 도메인의 Interface처리 시 Grid의 각 면이 일치하지 않는 경우가 있기 때문에 Tetrahedral Grid 타입의 격자체계를 이용하여 실시하였다.
대상 데이터
- 대상지는 한강변에 위치한 서울시 반포구의 H아파트 단지로 대략 48M높이로 지어진 공동주택이다. 또한 높이 10M이상의 수목이 넓은 면적에 분포하고 있어 Canopy Model을 적용하기에 적합한 대상지라고 생각하여 선정하였다.
- 도심지의 풍속/풍향 분포를 측정하기 위해 서울시 반포지구의 H아파트(12층) 단지를 대상으로 총 7지점의 풍속/풍향을 측정하였다. 측정을 위해 한강지점은 Davis기상관측 장비를 사용하였고, 1~6번 지점은 Lutron AM -4214SD 열선 풍속계와 간이 풍향계를 사용하였다.
- 대상지는 한강변에 위치한 서울시 반포구의 H아파트 단지로 대략 48M높이로 지어진 공동주택이다. 또한 높이 10M이상의 수목이 넓은 면적에 분포하고 있어 Canopy Model을 적용하기에 적합한 대상지라고 생각하여 선정하였다.
이론/모형
- Canopy Model 적용방법은 AIJ 가이드라인 중 Mochida가 제안한 방법으로 사용한다.
- 기존 CFD 시뮬레이션에 CanopyModel을 적용하여 해석하였다. 수목이 있는 부분에 풍속 감소와 난류에너지 및 난류에너지 소산율의 증가를 표현하기 위한 추가 방정식을 적용하기 위해서는 수목이 모델링된 부분과 해석 도메인의 Interface 처리가 필요하다.
- 실제 대상지에 적용하기 전 Mochida가 제시한 방법으로 예비해석을 해보았다.
성능/효과
- 기존 CFD방법과 Canopy Model을 적용하여 해석한 결과 수목을 3D로 표현하고 Canopy Model을 적용한 모델은 실측 대상지 수목 부분의 풍속감소를 정확히 표현하였다. 여기에 그치지 않고 실측값과 오차를 더 줄이기 위해 α값을 변화시켜 CanopyModel을 적용해 보았다.
- 기존 CFD방법으로 해석하였을 경우보다 Canopy Model을 적용함으로써 0.23, 0.25, 0.22, 0.09만큼의 편차를 더 줄일 수가 있었다. 풍속 평균편차 값 중 가장 작은 차이를 보이는 경우는 α=0.
- 또한 대상지와 같이 조경의 비중이 큰 지역일 경우에는 수목을 모델링한 후 풍속감소와 난류에너지 증가를 표현할 수 있는 Canopy Model을 적용하여 풍환경 분석을 실시해야 한다는 것을 알 수 있었다.
- 예비해석 결과 Canopy Model은 풍속감소와 난류에너지 증가를 나타냈다. 또한 Mochida의 논문에서 제시하는 실측 풍속 및 난류에너지와 유사한 패턴을 보였다.
후속연구
- Canopy Model을 적용하여 CFD 시뮬레이션을 사용한다면 실측값과 비슷한 풍속을 예측할 수 있으며, 설계 계획단계에서도 단지배치나 건물의 디자인을 계획하는데 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 국내에도 지역특성에 따라 적절히 사용할 수 있는 CFD 가이드라인을 설정하여 엔지니어가 정확히 풍환경을 예측하여 도심의 풍환경 문제를 예방하고 대책마련을 해야 한다.
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