전산유체역학 모델 실험방법

1. 전산유체역학 모델

 

본 연구에서는 가상의 컴퓨터 공간에서 시뮬레이션 을 통해 바람의 상세흐름 예측이 가능한 전산유체역 학(Computational Fluid Dynamics: CFD) 모델을 이용 하였다. 이 모델은 1995년에 개발된 이래, 범세계적 으로 수십여 년간 이용되면서 각종 수정･보완 등의 업데이트가 지속적으로 이루어졌으며, 실제 풍동실 험과 비교한 실험 및 평가를 통한 검증을 통하여 신 뢰성이 증명된 모델이다(Kim and Baik 2004; 김재진2007; 김은령, 박록진, 이대근, 김재진 2015; 김도형, 홍선옥, 이대근, 이영곤 외 2016; 손민우, 김도용 2020a; 손민우, 김도용 2020b).

 

또한 국지적 대기의 흐름을 초고해상도로 해석할 수 있으며, 다양한 실험 조건하에서 시공간적인 제약을 극복한 수치실험이 가 능하여 직접적인 풍동실험을 대신할 수 있다는 특징을 가지고 있다. Reynols Averaged Navier Stokes(RANS) 방정식계를 바탕으로 한 본 모델은 엇갈림 격자계 및 SemiImplicit Method for Pressure-Linked Equation(SIMPLE) 알고리즘을 유한체적법과 함께 적용되어 있다. 또한, 비정수 및 비압축의 대기흐름을 3차원으로 구성된 공 간계에서 수치적으로 나타내며, 재규격화군   난 류종결법을 반영한 난류모수화와 벽면 경계 효과를 위한 벽면 함수를 적용하고 있다(Yakhot, Orszag, Thangam and Gatski et al. 1992; Castro and Apsley 1997; Kim and Baik 2004; Versteeg and Malalasekera 2007). 유입경계에 대한 초기조건의 경우는 바람 시어 (Wind Sheer)를 0으로 가정하였고, 고도에 따른 풍속 변화(Power Law)를 기반으로 한 연직프로파일을 적용 하였다. x, y, z 방향에 대한 바람속도성분), 난 류 운동 에너지( ), 난류 운동 에너지의 소멸률()에 해당하는 유입경계조건은 다음과 같다(<식 1~5> 참조).

 

 

2. 대상지역 및 수치실험 설계

 

대상지역은 서울특별시 중구(37°33’54.9”N126°58’ 46.8”E) 도심지에 위치한 대표적인 건축문화재 중 하 나로, 주변이 고층 건물로 둘러싸인 특징을 가진 환구 단 영역을 선정하였다. 고종 때 조성된 환구단 내에는 1899년에 3층의 8각 목조건물인 황궁우가 건립되었 으며, 해당 건물은 하단 기준 너비 약 13m로 균형을 이루고 있고, 지붕의 일부를 고려한 높이는 약 12m로 확인되고 있다. 환구단 주변에는 에서 보 인 바와 같이 ① 프레지던트호텔(최고 32층), ② 롯데 호텔(최고 38층), ③ 웨스틴조선호텔(최고 20층) 등을 비롯한 각종 고층 건물들이 위치해 있어, 이로 인한 영향으로 대상 건축문화재인 황궁우 주변에 복잡한 기류의 양상이 형성될 것으로 예상된다. 수치모델의 지표면 경계조건은 지리정보시스템(Geographic Information System: GIS) 자료를 이용하여 대상영역 에 포함되는 실제 지형 자료 및 건물정보를 적용하였 으며, 이를 통해 대상지를 중심으로 한 주변의 바람장의 형성 및 발달양상을 효과적으로 수치모의하고자 하였다. 모델의 계산영역은 에서 보인 바 와 같이 황궁우를 중심으로 3차원 공간좌표계에서 (x×y×z)=(1,000m×1,000m×200m) 규모로 설정하 였고, 격자 해상도의 경우는 수평(x 및 y) 방향에 대해 서는 10m, 연직(z) 방향에 대해서는 4m의 균등격자를 적용하였다. 또한, 본 연구에서는 1,000m 기준에서 10m/s의 유입풍속을 부여하였으며, 대상지역 유입류 (Wind Inflow)의 방향 조건에 대하여 동풍(IE), 서풍 (IW), 남풍(IS), 북풍(IN)을 가정하여 각각의 경우에 대한 민감도 실험을 0.5초 간격으로 3,600초까지 수치 적분하여 계산하였다. 

 

수치실험의 결과는 전체 영역(D1), 중심영역(D2), 황궁우 영역(D3)의 순으로 상세 흐름장을 분석하였으 며, 황궁우에 인접하여 위치한 3개의 주요 고층건물 (①~③)의 영향을 중점적으로 해석하였다. 수평 바람 장의 경우에는 지상고도(Above Ground Level: AGL)에 따라 보행자 높이(2m AGL)를 고려한 지표풍 및 황궁 우의 상층높이(10m AGL)에 해당하는 x-y 단면에 대 한 벡터장을 분석하였다. 연직 바람장의 경우에는 황 궁우를 중심으로 한 W(서)-E(동) 라인 및 N(북)-S(남) 라인에 대한 연직 단면에서의 벡터장을 분석하였으 며, 황궁우 인접 영역에 대해서는 주변 고층건물의 영 향을 보다 상세히 고찰하기 위하여 3차원(3D) 벡터양 상을 살펴보았다. 또한, 황궁우 주변(측면방위)에서의 풍속 및 풍향 분포를 연계 분석하여, 풍환경의 영향성 을 예측･평가하였다.