Ocean Research Station

189

수치해석을 이용한 이어도 종합해양과학기지의 해상풍 관측 오차 연구 Numerical Study on the Observational Error of Sea-Surface Winds at Ieodo

Ocean Research Station

임진우*·이경록*·심재설**·김종암*

Jinwoo Yim*, Kyung Rok Lee*, Jae-Seol Shim** and Chongam Kim*

요 지 : 수치해석을통하여이어도종합해양과학기지구조물이대기유동에미치는영향을분석하였고

,

^이결

과를바탕으로과학기지에설치된풍속센서에서의측정값오차를평가하는연구를수행하였다

.

^{과학기지형상을}

3

차원으로모델링하였고수치해석을위한격자를생성하여

, Navier-Stokes

방정식및난류모델을적용하여수치해 석을수행하였다

.

선정된자유류의풍속과풍향조건에대하여과학기지구조물에의해변화된유동장을계산하 고

,

실제풍속센서가설치된위치에서의풍속

/

풍향정보와자유류를비교하였다

.

이를통하여자유류방향및측 정위치에따른데이터의정확도와신뢰할수있는데이터범위를알아보았다

.

본연구결과로관측된해상풍데 이터의구조물간섭에의한오차범위를정량적으로파악할수있었으며

,

과학기지가위치한지점의정확한해 상풍데이터 제공을위한기초자료로 활용될것으로기대된다

.

핵심용어 : 이어도종합해양과학기지

,

^해상풍

,

^{구조물간섭}

,

^관측오차

,

^수치해석

Abstract :The influence of Ieodo Ocean Research Station structure to surrounding atmospheric flow is carefully investigated using CFD techniques. Moreover, the validation works of computational results are performed by the comparison with the observed data of Ieodo Ocean Research station. In this paper, we performed 3- dimensional CAD modelling of the station, generated the grid system for numerical analysis and carried out flow analyses using Navier-Stokes equations coupled with two-equation turbulence model. For suitable free stream conditions of wind speed and direction, the interference of the research station structure on the flow field is predicted. Beside, the computational results are benchmarked by observed data to confirm the accuracy of measured date and reliable data range of each measuring position according to the wind direction. Through the results of this research, now the quantitative evaluation of the error range of interfered gauge data is possible, which is expected to be applied to provide base data of accurate sea surface wind around research stations.

Keywords :Ieodo Ocean Research Station, sea-surface winds, interference of structure, observation error, computational fluid dynamics(CFD)

1. 서 론

이어도에건설된다목적종합해양과학기지에서는주위 대류및해류의데이터수집을통해기상, 해양, 어장예 보를위한기초자료를제공하는것을목적으로한다. 그 런데이어도과학기지의크기가매우크기때문에주위 의대기유동흐름에영향을주게되고, 과학기지에설치

된해상풍관측센서는구조물에의한간섭을받은데이 터를도출하게된다. 따라서자유류조건에따라관측센 서에서의풍속및풍향변화를예측하는연구가필요하 며, 이를기초로관측된데이터를평가및보정하면보다 정확한데이터를제공할수있다.

이어도과학기지주위의바람장에대한연구로풍력안 정성에대한평가연구가실험및수치적인방법으로진

*

^{서울대학교기계항공공학부}

(Corresponding author: Chongam Kim, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University, Seoul 151-744, Korea. chongam@snu.ac.kr)

**

^{한국해양연구원연안}·^{항만공학연구본부}

(Coastal disaster prevention research group, KORDI, Ansan P.O. Box29, 425-600, Korea)

행된바있다.(심등, 2002; 황등, 2002) 이때 수치해 석에의한방법이실험결과와비교하여충분히타당한 결과를보여준다는것이확인되었다. 한편이어도과학기 지가주변해상풍에미치는영향이실험적으로연구되기 도하였다(해양수산부, 2002; 심등, 2003). 그러나실험 적인어려움으로해상풍의연직분포를고려하지못하였으 며, 축소모형실험후실제과학기지와해상풍크기에대 해복원식을사용한결과를도출하였다.

본논문에서는이어도종합해양과학기지가주위해상 풍에미치는영향을수치적으로연구하였다. 자유류에서 해상풍의연직분포에대해고려하였으며, 실제크기의과 학기지모델에대해 2가지속도, 12방위에대한수치실험 을수행하였다. 3차원유동해석을통하여이어도과학기 지에설치된 5개의풍속측정센서위치에서자유류가구 조물에의해어느정도의간섭을주는지정량적으로파 악하고자하였다. 그리고정확한데이터도출을위해풍 향에따라사용가능한데이터를제공하는풍속센서를 선정하고자하였다.

2. 해석 격자

2.1. 3차원 모델링

한국해양연구원으로부터제공받은도면을바탕으로 3

차원 CAD 모델링작업을수행하였다. 이어도과학기지

는장비설치를위한하부데크(Cellar deck)와주거및실

험을위한주데크(Main deck) 그리고헬리콥터이착륙

장(Heliport)을비롯하여여러개의데크구조로이루어져

있으며, 여기에여러가지관측장비들이설치되어있다.

본연구에서는격자생성의효율성을위하여, 유동해석에 크게영향을미치지않는범위에서부분적으로복잡한형 상을단순화시켰다. 3차원모델링이끝난뒤의최종형 상은 Fig. 1과같다.

그림에서 No. 1~5는이어도과학기지에설치되어있는

풍속측정센서의위치를나타내고 No. 3'과 4'은풍동실

험에서의풍속측정위치이다. 센서가설치된곳과센서의

길이는다음 Table 1에서정리하였다.

2.2 해석 격자 생성

해석격자생성에는 Gridgen 격자생성프로그램을사

용하였다(Pointwise, 1999). 이때경계층과같이원하는

부분에격자를모으기용이한정렬격자(structured grid)

로생성하였다.

복잡한기지구조물의형상으로인하여해석영역 10 km(x)

×1 km(y)×10 km(z)은 210만개의격자, 360개의블록으로 구성되었다. 계산영역이크기때문에효율성을고려하여

구조물을둘러싼 40 m(x)×48 m(y)×50 m(z) 크기의작은

내부격자를 90만개의격자로생성하였고, 상대적으로정 밀한계산이필요없는외부격자는 120만개의격자를사 용하여내부와외부격자를 patched grid 기법으로연결하 였다(Fig. 2, Fig. 3).

3. 수치해석 방법

3.1 지배방정식

과학기지모델에작용하는힘으로압력외에점성력까지 고려하기위하여, 지배방정식은 3차원비압축성 Navier-

Stokes 방정식을사용하였다. 이의질량보존식과운동량

보존식은다음과같다(Anderson, 1991).

Fig. 1. 3-D Model of Ieodo Ocean Research Station and loca- tion of anenometer.

Table 1. Location of anemometer (from Sea Level, Unit: [m])

No. 1 No. 2 No. 3 No. 4 No. 3' No. 4' No. 5

Base Location Jacket Deck (8 m) Intermediate Deck (16 m) Roof (33.5 m)

fromB/L Length 2[m] 2[m] 2[m] 2[m] 3[m] 3[m] 0[m]

Height 0[m] 0[m] 0[m] 0[m] 1[m] 1[m] 10[m]

○질량보존식:

(1)

○운동량보존식:

(2)

본연구의해석모델인해양과학기지의유동영역은레 이놀즈수가 10⁷정도인난류유동영역이므로, 2방정식난 류모델인표준 k−ε모델(Wilcox, 1996)을사용하였다. 수 식은다음과같다.

○표준k−ε난류모델

(3)

3.2 경계조건

과학기지모델의표면은점착조건(no-slip condition)을 사용하였으며, 유입류는속도를고정하고압력을외삽하 였으며, 유출류의경우에는배압을고정하고속도를외삽

하였다. 여기에서유입류속도의경우 API 기준에따른

해상풍의연직속도분포(서울대학교, 1991; 서울대학교,

1992)를사용하였으며, 4.2절에서자세히다룬다. 바닥의

경계조건의경우원래파도가있는바다이지만계산에는 고려되지않았고, 유입류의속도분포를이어도해양과학 기지까지유지시키기위해바닥면의경계조건은점성이없

는벽면(slip-wall) 조건으로주었다. 격자계의맨윗면과

유입류, 유출류면을제외한옆면은대칭조건을사용하였 다(Fluent, 1998).

3.3 수렴조건

수치해의수렴조건은질량보존식과각방향속도및난 류모델의k와ε의수치오차(residual)가처음오차의 10⁻⁴이하 가되면해가수렴한것으로보았다. 수렴곡선의예는

Fig. 4와같다.

위의그림에서볼수있듯이질량보존식(continuity)의

오차(residual)가 10⁻⁴까지떨어지면나머지오차는모두

10⁻⁵이하까지수렴함을확인할수있다. 30 m/s의풍향

0^o에서수렴한뒤의속도벡터의예는다음과같다.

수렴된해석결과에서생성된격자계가경계층을잡아

∂ui

∂--- 0x_i=

∂

∂---- ρut( i) ∂∂---xj ∂p

∂---xi

– ∂τ_ij

∂xj

--- +

= + τ_ij µ ∂ui

∂---x_j ∂uj

∂---x_i

⎝ + ⎠

⎛ ⎞ 2 3---µ∂u∂---δxl^l _ij

–

=

ρDk---Dt ∂

∂--- µx_i µ_t σ_k ---

⎝ + ⎠

⎛ ⎞ ∂ k

∂---x_i +Gk–ρε

=

ρDε---Dt ∂

∂--- µx_i µ_t σε

---

⎝ + ⎠

⎛ ⎞ ∂ ε

∂---x_i C1εε

k--Gk C2ερε² ----k – +

= µ_t ρC_µk²

ε----

=

Fig. 2. Internal grid of ieodo ocean research station.

Fig. 3. External grid of Ieodo Ocean Research Station (red circle:

internal grid).

Fig. 4. Residual history.

내기에충분하므로수치해석결과를신뢰할수있음을알 수있다. 또한질량보존식의수치오차가 10⁻⁴이하로떨 어지면충분히타당한결과를내었으므로, 이후의수치해 석에서질량보존식의수치오차가 10⁻⁴이하가되는것을 수렴조건으로설정하였다.

4. 수치해석 조건

4.1 풍향 및 풍속 조건

해상 10 m 높이에서풍속조건 12 m/s와 30 m/s일때,

각각 case 1과 case 2로 하였다. 이 때 30도 간격으로

12방위의자유류조건에서각바람측성센서의정확도

를 판단하기 위한 해석을 수행하였다. 이를 정리하면

Table 2와같다.

여기에서풍향의정의는 Fig. 7과같다.

4.2 경계층을 고려한 자유류의 연직 속도분포 일반적으로바람은지면으로부터고도에따라속도가 증가하는점성경계층유동이며또한난류유동이다. 고 도에따른평균속도분포는난류경계층의식으로부터다 음과같이된다.

(4) (u: 평균속도, : 경계층외부속도, z: 고도, δ: 경계 층두께)

이때u는고도z에서의평균속도이며, 는경계층밖 의자유류의속도이다. δ와 1/n은지형, 건물배치등에따 라다른값을사용하는데여기에서는 API기준에따라다 음과같은평균풍속의연직분포를사용하였고(서울대학교, 1991; 서울대학교, 1992)

(5)

유입류의 경계조건으로 고정시켜 사용하였다.

5. 수치해석 결과

5.1 수치해석 결과 검증

풍동실험과의비교를통하여부분적으로간략화된이 u U⁄ _∞=(z δ⁄ )^{1 n⁄}

U_∞

U_∞

U 1hr z( , ) U 1hr z( , _R) z zR

⎝ ⎠----

⎛ ⎞^0.125; z_R=10 m

=

Table 2. Numerical analysis flow condition No. Wind velocity[m/s]

(Sea Level 10 m) Wind Directions

Case 1 12 12

Case 2 30 12

12 Directions:

0^o, 30^o, 60^o, 90^o, 120^o, 150^o, 180^o, 210^o, 240^o, 270^o, 300^o, 330^o

Fig. 5. Velocity vector over helideck.

Fig. 6. Velocity vector over roof.

Fig. 7. Definition of wind direction.

어도해양과학기지의 3-D 모델과격자의질을점검하고,

수치해석의검증을위하여수행을하였다. 풍동실험의경 우실제속도의수직분포대신 uniform flow상황에서 1/80

축소모델로실험을하였고, 속도측정지점 3'과 4'에서의

velocity magnitude와자유류(12 m/s)의비를사용하였다.

Fig. 8과 Fig. 9는실험결과와수치해석결과값들을자

유류와비교한것이다. 유입류가이어도과학기지구조물

을지나풍속계에도달하는각도를제외하고는대부분의 유입류에대하여실험값과수치해석값과자유류의값이 잘일치함을알수있다. 위그림에서 120, 150, 300, 330도 의경우, 수치해석값이실험값과차이가있음을볼수있 다. 우선, 풍속계의위치가 Intermediate deck보다 1 m위 에설치되었기때문에경계층효과에의한유입류의유 동변화는측정위치에서의속도변화에큰영향을미치지 않는다. 하지만, Intermediate deck에 설치된 handrail은 풍속계의위치와동일한높이에설치가되어있어유입류 의유동에변화를주게되어속도의감소를초래하게된 다. 따라서풍동실험에서는실제모델과같은축소모델 을사용하였으나, 본연구에서의모델은수치해석을위하 여부분적으로간략화시켜 Intermediate deck의 handrail

을포함시키지않았으므로위와같은차이가나게된다. 하 지만실제과학기지에설치되어있는센서의위치는 Intermediate

deck과같은높이에설치가되어있으므로 handrail의영향보

다는 deck에의한유동변화가지배적이므로위의그림에

서보듯이수치해석결과가신뢰할만하다고하겠다.

5.2. Case 1의 수치해석 결과

해발 10 m에서 12 m/s의자유류속도를갖는다고가정

하였을때높이에따른속도분포는다음과같다. (6)

유입류에서식 (6)의연직속도분포를사용하였으며, 360도 12방위로유동해석을수행하였다. 이를통하여바 람의방향에따른이어도과학기지에의한자유류유동 변화를시뮬레이션할수있었고, 각각의측정위치에서 변화된바람의속도를측정하였다. 유동변화의비교에사 용된속도값들은실제이어도과학기지에설치되어있 는바람측정센서 1~5의고도에맞는자유류의속도값 을사용하였고, 이값과수치해석을통해얻어진이어도 과학기지에의해변화된속도값의비를분석해보았다.

위의그림 Fig. 10부터 Fig. 14는각센서의위치에서

방향에따른유속의변화율을나타낸것이다. 센서 5에서 는대부분의각도에대해서유입류의값과큰차이를보 이지않고있지만, 센서 1~4에서는유입류의각도가이 어도과학기지구조물을지나게되는경우유입류의속 도와측정위치에서의계산된값이큰차이를보이고있 음을알수가있다. 이는유입류가풍속계에도달하기전 에 Jacket deck과 Intermediate deck 위를지나게되면서

U z( ) 12 z z_R

⎝ ⎠----

⎛ ⎞^0.125m/s; zR=10 m

×

= Fig. 8. Comparison of velocity magnitude at No. 3^'.

Fig. 9. Comparison of velocity magnitude at No. 4^'.

점성에의하여속도가감소하게 된후, 데크와같은높 이에설치된풍속계에도달하게되기때문으로판단된 다. 따라서위와같이구조물을지나게되는유입류각

도인 120, 150도 및 300, 330도의 경우 실제 유입류

보다작은값이측정되게됨을알수있다. 그러므로실 제이어도해양과학기지에서해상풍정보를얻고자할 때, 바람의방향에따른풍속계의선택이필요함을알 수있다.

5.3 Case 2의 수치해석 결과

이어도해양과학기지구조물에의한자유류의유동변

화에대한다음 case로, 30 m/s의자유류경우에대하여

수치해석을하였다. case 1의경우와마찬가지로 API 기 준에따른수직속도분포를사용하였고, 해발 10 m에서

30 m/s의자유류속도를갖는다고가정하였을때높이에

따른속도분포는다음과같다.

Fig. 10. Comparison of velocity magnitude at No. 1 (case 1)^.

Fig. 11. Comparison of velocity magnitude at No. 2 (case 1).

Fig. 12. Comparison of velocity magnitude at No. 3 (case 1).

Fig. 13. Comparison of velocity magnitude at No. 4 (case 1).

(7)

유동변화분석에사용된값은앞서와같이각센서가 설치된높이에서의자유류값이고, 각실제센서위치에 서측정되는수치해석결과값과비교하여구조물에의 한유동의변화정도를알아보았다.

case 2의수치해석결과는 case 1과동일한경향을보

이고있음을알수있다. 이어도과학기지에서의풍속데 이터측정시에자유류의풍속보다는풍향에따라적절 한위치의풍속계의선택이필요함을알수있다.

5.4 풍향 왜곡도

풍속오차가가장적은센서 5 지점에서구조물에의 하여발생하는풍향의왜곡도를파악하였다. 자유류의풍 향을z축으로하여수평각왜곡도(α_H)와연직각왜곡도

(α_V)는다음과같다.

(8) (9)

위의그림은자유류의풍속이 12 m/s와 30 m/s일때측

점지점 5에서의풍향왜곡도를나타낸다. 풍향왜곡도는

Roof 쪽으로바람이직접불어오는 180^o에서가장큰값

을가졌고전체적으로 ±7^o 이하로나타났다.

5.5 유동 보정방안

5.2절및 5.3절의결과에서유입류의방향이측정센서

의풍속값에민감한영향을주는것을알수있었다. 그 러나 Fig. 14와 Fig. 19에서보듯이 Roof 10 m 높이에서 측정한센서 5에서의값은전체적으로자유류의값과 5%

이내로일치함을알수있다. 또한 5.4절의결과로센서

5에서측정된풍향은 7%오차이내에서정확하다. 따라서

이어도해양과학기지에서정확한해상풍측정을위해서는, 우 선해양과학기지의 Roof에설치되어있는 5번풍향계에서 유입류방향에따라적합한위치의풍속계를선택후일 U z( ) 30 z

zR

⎝ ⎠----

⎛ ⎞^0.125m/s; zR=10 m

×

=

α_H tan^–1Vz

Vx

---

=

α_V tan^{–1 Vy}

Vx2+Vz2

---

=

Fig. 14. Comparison of velocity magnitude at No. 5 (case 1).

Fig. 15. Comparison of velocity magnitude at No. 1 (case 2).

Fig. 16. Comparison of velocity magnitude at No. 2 (case 2).

반적으로풍속을측정하는높이인 10 m정도에위치한 1,

2, 3, 4번의풍향계를사용하여풍속을측정하는것이적

합하다. 예를들어 5번풍향계에서측정한풍향이 90^o~180^o

사이의바람이라면오차가심한센서 1과 3에서측정하는 것보다는 2번과 4번의풍속계를사용한다. 반대로 300^o~330^o

의풍향에서는센서 1와 3의풍속계측정값은사용해야정

확한측정이가능하다. 이를정리하면 Table 3과같다.

이상에서풍향에따라선택된각센서에서의측정값을 비교한다면가장오차가적은해상풍정보를얻을수있 을것으로기대된다.

Fig. 17. Comparison of velocity magnitude at No. 3 (case 2).

Fig. 18. Comparison of velocity magnitude at No. 4 (case 2).

Fig. 19. Comparison of velocity magnitude at No. 5 (case 2).

Fig. 20. Distortion of horizontal and vertical wind direction at No. 5 (12 m/s).

Fig. 21. Distortion of horizontal and vertical wind direction at No. 5 (30 m/s).

6. 결 론

본논문에서는수치해석을통해이어도종합해양과학 기지의간섭에의한해상풍관측오차를알아보았다. 2가 지자유류속도와 12방위에대하여 3차원유동해석을수 행하였으며, 실제풍속측정센서가설치된 5곳에서기지 간섭으로변화된속도및풍향을측정하였다. 해상풍데 이터는해상풍이바로마주불어오는방향에위치한센

서에서가장정확한값을예측하며, Roof에설치되어있

는센서 5에서는풍향에관계없이비교적정확한자유류 를예측하였다. 따라서센서 5에서관측된풍향에따라

Table 3에정리된다른센서의데이터를종합하면, 가장

정확한해상풍의속도및풍향을예측할수있을것으로 판단된다. 또한본연구결과로얻어진데이터베이스는각 센서들의오차경향을파악하고, 보다정확한해상풍정 보를제공하기위한기초자료로사용될것으로기대된다.

감사의 글

본연구는한국해양연구원의 ‘이어도종합해양과학기지 활용연구’ 사업의지원으로수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

참고문헌

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John D. Anderson, Jr. (1991). Fundamentals of Aerodynamics.

Received March 2, 2006 Accepted September 1, 2006

Table 3. Available anemometer according to free stream direction Free stream direction No. 1 No. 2 No. 3 No. 4

0°~90° ○ ○ ○ ○

90°~180° × ○ × ○

180°~270° ○ ○ ○ ○

270°~360° ○ × ○ ×