[논문]인접 구조물의 상호 간섭 효과 해석

박상준; 이승운; 이승수

[국내논문] 인접 구조물의 상호 간섭 효과 해석
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박상준 (충북대학교 토목공학부) , 이승운 (충북대학교 토목공학부) , 이승수 (충북대학교 토목공학부)

본 연구에서는 인접 구조물의 상호 간섭에 의한 풍압 변화에 대한 분석을 수행하였다. 두 개의 구조물 사이의 거리 및 위치를 변경하여 비교 해석하는 것으로써 사각형 구조물 구현을 위해 EDISON_CFD를 이용하여 수치해석을 하였고, 유한 체적 법(Finite Volume Method, FVM) 기반의 범용 비압축성 유동 해석을 위해 2D_Incomp-P_2.1 해석자를 사용하였다. 이 연구를 통하여 인접한 구조물의 영향을 분석하여 상호 간 거리와 위치를 결정할 수 있는 근거자료를 확보하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 정방형 구조물의 상호 간 풍 압력 간섭 효과를 Edison_CFD를 이용하여 해석해 보았다. Case 1과 2, 3 모두 공통으로 구조물 간의 거리가 멀어질수록 구조물 간의 상호 간섭이 줄어들게 되었다.

제안 방법

특히, 조강표 등은 에서는 인접한 고층건물의 풍하중 상호 간섭에 대한 연구⁽¹⁾를 진행하였다. 본 연구에서는 수치적인 해석을 위하여 EDISON_CFD를 이용하여 두 구조물 간의 상호 간섭을 해석하였다. 또한, 수치상으로 해석된 결과를 풍동에서 실측된 실험값과 비교하였다.
본 연구에서는 수치적인 해석을 위하여 EDISON_CFD를 이용하여 두 구조물 간의 상호 간섭을 해석하였다. 또한, 수치상으로 해석된 결과를 풍동에서 실측된 실험값과 비교하였다.
위와 같이 주변 구조물이 서로 인접해 있을 때 구조물 간의 상호 간섭 효과를 알아보기 위해 EDISON_CFD를 이용하여 수치해석을 시행하였다. 구조물이 단독으로 있는 경우와 복수로 있는 경우의 구조물에 작용하는 항력을 계산하여 항력계수의 비로서 나타내었고 구조물 간의 거리와 위치에 따라 풍하중의 비에 대해 평가하였다.
위와 같이 주변 구조물이 서로 인접해 있을 때 구조물 간의 상호 간섭 효과를 알아보기 위해 EDISON_CFD를 이용하여 수치해석을 시행하였다. 구조물이 단독으로 있는 경우와 복수로 있는 경우의 구조물에 작용하는 항력을 계산하여 항력계수의 비로서 나타내었고 구조물 간의 거리와 위치에 따라 풍하중의 비에 대해 평가하였다.
사용된 경계조건으로는 유체의 출입구 부분은 아음속 출입구(Subsonic Inlet&Outlet)를 사용하였고 해석 영역의 측벽 부분에는 점성 벽면 조건(Viscous Wall BC)을 사용하였으며 평균풍속 1m/s를 x 방향 속도로 지정해 주었다.
상호 인접한 두 구조물은 정사각형 모양으로 모델링 하여 세 가지 Case에 대하여 해석을 수행하였다. Case 1의 경우는 두 구조물이 어긋남 없이 나란한 경우이며 Case 2의 경우 구조물 폭의 절반만큼 어긋난 경우, Case 3의 경우에는 폭만큼 어긋난 경우이다.
Case 1의 경우는 두 구조물이 어긋남 없이 나란한 경우이며 Case 2의 경우 구조물 폭의 절반만큼 어긋난 경우, Case 3의 경우에는 폭만큼 어긋난 경우이다. 각 Case 별로 거리(L)를 폭의 1에서 8배까지 8회 수행하여 단일 구조물만 있을 때와의 항력을 구하여 분석하였다.
Edison_CFD를 이용한 계산 수행결과인 풍력(F) 값을 이용하여 구조물에 발생되는 항력계수 (C_D)를 구하였다.

대상 데이터

사용된 경계조건으로는 유체의 출입구 부분은 아음속 출입구(Subsonic Inlet&Outlet)를 사용하였고 해석 영역의 측벽 부분에는 점성 벽면 조건(Viscous Wall BC)을 사용하였으며 평균풍속 1m/s를 x 방향 속도로 지정해 주었다. 해석대상 구조물에는 점성이 있는 단열 벽면 조건(Viscous Adiabatic Wall)을 사용하였다.

이론/모형

정렬 격자(Structured grid)이며 다중블록(Multi-block) 격자를 사용하여 단일 격자만 사용할 때보다 복잡한 형상에 대한 유동 해석을 하였고 RANS(Reynolds Averaged Navier_Stokes)방정식을 지배방정식으로 하여 비점성 유동에서 점성 유동에 이르기까지 해석을 하였다.
)를 구조물 사이의 거리에 따라 산출하여 나타낸 그래프이다. 단일 구조물의 항력계수(Cd^*)를 구하는 과정에서 EDISON_CFD로 계산한 결과 값의 정확도를 판단하기 위해 EMIL SIMIU 등⁴⁾의 저서를 참조하였다. 참조 저서에서 단일 사각 구조물의 항력계수(Cd) 값이 2에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.

성능/효과

Fig 7에서 보이는 바와 같이 구조물 간의 거리가 가까울 때는 완전히 엇갈린 구조로 인해 앞 구조물의 영향을 적게 받아 1에 가까운 항력 계수 비를 나타내었다. 구조물간의 거리가 멀어짐에 따라 항력 계수 비가 줄어들어 앞의 구조물의 영향을 받는 것을 확인하였고 Case 3도 앞의 Case들과 마찬가지로 거리 5B에서 항력 계수 비가 떨어지는 현상이 다른 Case보다 두드러지게 나타났다. 거리 6B 이후로는 앞의 구조물의 영향에서 벗어나 단일 구조물과 거의 같은 항력 값을 갖는 것을 확인하였다.

후속연구

본 연구의 한계점은 3D 해석이 아닌 2D 해석을 하였으므로 실질적인 값과 비교하면 오차가 발생할 수 밖에 없으며 해석 인자에서 유동종류를 층류 점성 유동(Laminar flow), 정상유동(Steady flow)을 사용하였기 때문에 실제로 발생할 수 있는 완전 난류 점성 유동(Turbulent flow), 비정상 유동(Unsteady flow)에 대해서는 확실치 않으므로 추후 3차원 구조물에 대한 연구의 진행이 필요하다고 생각된다.

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