LES와 잠입경계법을 이용한 도심 경계층 유동 해석

Abstract

도시권의 교통 혼잡 및 교통 체증을 개선하기 위해 도심 상공을 비행하는 도심항공모빌리티가 출현하였다. 일반적인 헬리콥터에 비해 도심항공모빌리티는 크기가 상대적으로 작아 국소 기상 조건에 더 민감하며 특히 도심 기상에서는 건물 숲에 의해 발생하는 복잡한 유동 흐름이 존재하여 비행 위험도는 더욱 높아진다. 따라서 도심항공모빌리티의 안전한 비행을 위해서는 이러한 복잡한 유동의 흐름 패턴과 물리적 특성을 이해하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 대와동모사(Large Eddy Simulation)와 잠입경계법을 이용하여 대기경계층 내 건물에 의해 유발되는 유동을 해석하였다. 잠입경계법에 wall 모델을 도입하여 코드를 구현한 후, 건물에 대하여 실험값과 비교 및 검증하였다. 또한 개발된 코드를 이용하여 건물의 밀도 및 배치 변화에 따라 달라지는 유동을 분석하였다. 모든 case에서 UAM 이착륙에 영향을 미칠 수 있는 말발굽와류구조와 cavity zone이 생성되는 것을 확인하였다. 건물 밀도가 높을수록 협소한 공간으로 와류 세기가 세지나 속도 표준편차의 세기 및 영역이 감소하고 역방향 와류구조가 후방의 낮은 건물에 영향을 미친다는 것을 파악하였다. 균일 배열과 다르게 비균일 배열일 경우, 건물 후면에 발생하는 기울어진 와류구조 및 secondary vortex가 생성되는 것을 확인하였다. 기울어진 와류구조는 secondary flow에 의해 발생하는 현상으로 UAM의 비행에 불안정한 요소가 될 것으로 예상된다. 마지막으로 난류 및 spectra를 분석하여 도심항공모빌리티의 비행 및 버티포트의 설치 구역을 권장하였다.