도시 지역의 바람길은 쾌적한 대기 환경을 만드는 필수 요소가 되어가고 있습니다.
독일의 대표적 공업도시 슈투트가르트는 숲과 바람길을 잘 보존하여 심각했던 대기오염을 극복한 사례로 꼽히고 있습니다. 슈투트가르트시는 낮과 밤의 지표면 온도 분포도를 작성하고 이를 근거로 공기의 흐름이나 하천, 호수, 건물의 영향을 조사하였습니다. 이후 풍향과 풍속 등을 자세히 조사하고 도시 밖의 공기를 유입하기 위에 도로와 삼림, 건물의 배치에 대한 토지이용계획을 입안하였습니다.
대기 환경 측면에서뿐만 아니라 건설 프로젝트 측면에서도 공기역학은 중요한 부분입니다.
초고층 건물에서의 바람의 영향뿐만 아니라 건축물 외형에 의한 바람의 가속, 건물 배치에 의한 골바람 등과 같은 공기의 영향을 줄이기 위해 다양한 방법을 모색해야 합니다.
바람길 해석은 건축물의 설계 초기 단계나, 도시계획 초기단계에서 우선적으로 고려하여 잠재적으로 발생할 수 있는 문제점을 파악하고 대응할 때 가장 이상적인 설계안을 도출 할 수 있으며, SIMULIA의 유동 해석 소프트웨어인 PowerFLOW와 PowerTHERM을 활용하여 효과적인 바람길 해석을 수행할 수 있습니다.
<동영상1> PowerFLOW를 활용한 유동해석
<동영상2> PowerTHERM을 활용한 열해석
동영상 1과 같이 PowerFLOW를 이용하여 해석을 수행하면 주어진 풍량, 풍향 등을 직접 해석하여 유동 공간 내의 유동 구조를 확인할 수 있습니다. 고정된 풍량, 풍향 뿐만 아니라 시간에 따라 변화하는 바람의 조건을 함수로도 적용 할 수 있어 보다 실제에 가까운 해석을 할 수 있습니다.
온도에 의한 영향을 고려하고 싶은 경우 PowerTHERM을 활용하여 해석이 가능합니다.
동영상2 와 같이 도로, 건물, 지면에 각각 아스팔트, 콘크리트 , 잔디의 물성치 조건을 주면 시간의 흐름에 따라 온도장이 변화하는 것을 확
인 할 수 있습니다. 또한 태양의 움직임에 따라 건물의 그림자가 움직이는 것을 확인 할 수 있으며, 뜨겁게 달구어진 아스팔트와 건물의 표면과 대기의 온도 차이에 의해 발생하는 열섬현상 등을 확인하는 데 효과적입니다.
<그림1> PowerFLOW와 PowerTHERM의 연동해석
그림1 과 같이 PowerFLOW와 PowerTHERM의 연동 해석을 통해 태양의 고도 변화와 일사 방향에 따라 움직이는 그림자의 효과 및 표면의 재질에 따른 온도 차이 뿐만 아니라 바람이 부는 경우 뜨거운 바람이 부는 방향과 구조를 확인 할 수 있습니다.
PowerFLOW는 해석을 위해 그림 2와 같이 surface mesh만 필요합니다. 유동 공간을 채우는 공간 격자는 솔버에서 자동으로 생성되며, 사용자는 공간 격자의 정밀도만 설정 하면 되므로 공간 격자를 생성하는데 걸리는 시간을 줄일 수 있습니다. 또한 좁거나 얇은 공간 같이 공간 격자를 생성하기 어려운 공간에도 격자를 생성할 수 있어 복잡한 형상에 대해 별도의 수정 없이 공간 격자 생성이 가능합니다.
<그림2> PowerFLOW Surface mesh (좌)와 유동 공간 격자 (우)
그림 3과 같이 해석 관심 영역과 인접한 곳에 입구 경계조건을 적용할 경우, 바람이 관심 영역에 직접적으로 관여 하기 때문에 정확한 해석 결과를 얻기 힘듭니다. 멀리서 불어오는 바람은 지반의 모양, 지면의 건물들로 인해 요동치며 흐르게 됩니다.
이러한 난류 효과 (Turbulence effect)를 고려하기 위해 어느정도 확장된 영역이 필요합니다. 따라서 그림 4와 같이 관심 영역 이외의 확장 공간을 구성하여 해석의 정확도를 높일 수 있습니다.
<그림 3> 해석 관심 영역과 입구 경계 조건
<그림 4>확장 영역을 적용한 Simulation Domain
<그림5> Simulation domain과 VR (Various Resolution) 영역
PowerFLOW는 사용자가 직접 유동 공간 격자를 생성하지 않습니다.
다만 사용자는 그림 5와 같이 어느 정도의 조밀도를 가진 격자를 어디에 배치할 것인지만 설정해 주면 됩니다. PowerFLOW상의 유동 격자 공간을 VR (Various Resolution) 이라고 합니다.
VR의 레벨이 클수록 유동 공간 격자의 크기가 작아지며 하나의 레벨에서 다음 레벨로 격자가 커질 때는 격자의 크기는 두배로 커지게 됩니다. 적절한 VR strategy를 수립하여 간단하고 경제적으로 해석을 수행할 수 있습니다.
해석 수행 후, PowerVIZ를 통해 다양한 아래의 동영상들과 같이 해석 결과를 다양한 형식으로 가시화 할 수 있습니다.
가시화 결과를 통해 개선이 필요한 부분을 파악하고 개선 방안을 마련할 수 있습니다, 또한 해당 방안을 적용한 수정안에 대한 해석을 다시 수행하여 개선 여부를 확인 할 수도 있습니다.
<동영상3> Velocity magnitude with streamlines
<동영상4> Velocity magnitude with Flow field
<동영상5> Velocity magnitude with Movable slice