오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 '풍압계수'에 대한 것입니다. 우리 주변에서 유체는 눈에 보이지 않지만 구조물과 같이 장애물을 만나면 자연스럽게 돌아가려는 성질이 있습니다. 주변에서 쉽게 볼 수 있는 것이 자동차, 건축물, 비행기 등의 풍동시험에서 연기로 표현된 유체의 흐름입니다.
이러한 유체의 흐름은 벽면 주변에서 발생하는 경계층과 난류에 의해 발생하게 되고, 위치에 따라 Positive / Negative 방향의 압력이 발생하게 됩니다.
설계 기준에서는 무수한 실험을 통해 형상에 따른 풍압계수를 제시하기도 합니다. 그렇다면 해석에 따른 접근법은 어떻게 될까요?
구조물 주변의 유체 흐름을 왜 고려할까?
공기나 물과 같은 유체가 장애물을 만나면 어떻게 될까요? 고체는 그 형상을 항상 유지하려고 하기 때문에 유체가 오더라도 변형되지 않고 버티게 됩니다. 이로 인해 유체는 고체를 관통하지 못하고 돌아가려는 성질이 생기게 되고, 이때 벽에 충돌되면서, 혹은 벽면의 점성저항에 의해서 속도가 감소하는 현상이 발생합니다. 속도가 감소된 유체는 본래의 상태를 회복하려는 성질을 가지고 흐름의 변화를 만들게 됩니다.
이러한 변화는 구조물에 어떤 영향을 주게 될까요? 유체가 본래의 성질을 회복하려는 것을 '재순환 영역(Re-circulation Region)'이라고 지칭하며, 저압부가 형성되면서 물체를 끌어당기는 효과가 발생하게 됩니다. 구조물에서는 정면에서 받는 정압과 후면에서 끌어당기는 부압이 동시에 발생하게 됩니다.
운동에너지 개념으로 유체력을 계산하는 0.5*(밀도)*(속도)^2는 정압의 효과만 고려하기 때문에 실제와는 매우 다른 결과값이 나타나게 됩니다. 따라서 실험이나 해석을 통해 산정된 형상계수, 풍압계수 등 다양한 증폭값들을 계산하고 설계에 반영하는 것이 필요하게 됩니다.
구조물 주변의 압력 변화는 해석에 어떻게 적용할까?
구조물 주변의 압력변화를 계산하기 위해서는 벽면, 모서리 등에서 발생하는 유체의 박리(Separation) 현상과 재순환 영역(Re-Circulation Region)을 파악하고 이때 발생하는 압력의 변화를 추적해야 합니다. 일반적으로 풍동시험에서는 주요 위치별 측정장치를 부착하여 계산하게 되며, 해석해서는 주변의 계산점(Node, Element 등)에서 물리량에 변화를 계산하고 추적합니다.
대상물의 형상에 따라서 주변 지형에 따라 속도나 압력이 집중되는 현상을 주요하게 확인할 수도 있고, 내부 유동 관점에서는 흐름이 없는 사구간을 파악하여 먼지가 집중되거나 온도 냉각 효율이 떨어지는 구간을 파악하고 개선하기도 합니다.
이번 예제에서는 다양한 구조형태에 대하여 외부 유동장의 변화와 압력의 집중, 변화 등을 확인하는 것을 목표로 합니다. 다양한 형상에 따라 유동장의 변화에 초점을 맞춰서 이해해보면 좋을 것 같습니다.
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