Dynamical and Thermodynamical Effects of Various Building Configurations on Flow and Pollutant Dispersion = 다양한 빌딩 배치가 대기 흐름 및 오염물질 분산에 미치는 역학적·열역학적 영향

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 고층 건물 건설이 급증함에 따라, 고층 건물이 도시 환경에 미치는 영향은 점차 중요한 연구 주제로 부상하고 있다. 본 연구에서는 큰에디모사 모형 PALM을 이용하여 고층 건물이 보행자 높이에서의 흐름과 오염물질 분산에 미치는 영향을 조사하였다. 저층 정육면체 건물군에 의해 둘러싸인 단일 고층 건물 배치를 대상으로 고층 건물 높이를 변화시키며 수치모의를 수행하였다. 고층 건물의 높이가 증가할수록 보행자 높이에서의 시간·면적 평균 풍속은 증가하고, 오염물질 농도는 감소하였다. 평균 풍속과 평균 오염물질 농도의 변화율은 고층 건물의 높이가 증가함에 따라 감소하였다. 평균 풍속의 이러한 경향은 고층 건물의 높이가 증가할수록 유입류가 하강하기보다 고층 건물의 측면을 우회하여 통과하려는 경향이 강화되기 때문이다. 평균 오염물질 농도의 경향은 평균 풍속의 변화와 연관되어 나타났다. 또한 순간 흐름 및 오염물질 분산 특성을 분석하였다. 고층 건물 상류에서는 상류 지역으로부터 고농도의 공기 덩어리들이 반복적으로 수송되어 고층 건물 앞의 협곡으로 유입되며, 그 결과 고층 건물 풍상측 벽면 근처의 보행자 높이 오염물질 농도가 일시적으로 증가하였다. 고층 건물 하류에서는 건물 바로 뒤쪽 협곡의 보행자 높이에서 서로 반대로 회전하는 두 개의 소용돌이 구조가 나타났다. 각 소용돌이는 고층 건물의 풍하측 모서리 중 한 곳에서 반복적으로 발달한 뒤 크기를 변화시키며 하류로 이동하고, 인접 저층 건물의 풍상측 벽면에 도달한 뒤 소멸하였다. 이러한 고유 소용돌이 구조는 고층 건물 바로 뒤쪽의 협곡에서 보행자 높이 오염물질 농도의 시공간 변동에 크게 기여하였다.
도시 지역에는 다양한 형태와 높이의 건물이 다수 존재하며, 이들이 집합적으로 도시 흐름 및 대기질에 미치는 영향은 중요한 관심사이다. 본 연구에서는 PALM을 이용해 정사각형 밑면을 갖는 직육면체 건물 배열 상부에서의 난류 고유 구조와 오염물질 분산에 대한 건물 높이 변동성의 영향을 수치적으로 분석하였다. 건물 높이 변동성이 없는 경우(σ/Have = 0; 여기서 σ는 건물 높이의 표준 편차, Have는 평균 건물 높이), 건물 높이 변동성이 작은 경우(σ/Have = 0.25), 건물 높이 변동성이 큰 경우(σ/Have = 0.5)를 고려하여 3개의 모의를 수행하였다. 후자의 두 경우에는 서로 다른 두 높이의 건물을 교대로 배치하였다. 오염물질은 도로에서 배출되도록 설정하였다. 건물 높이 변동성이 증가할수록 보행자 높이 평균 오염물질 농도는 감소하였고 오염물질 농도의 공간적 변동성은 증가하였다. 또한 건물 높이 변동성은 난류 강도, 연직 난류 운동량 플럭스 및 연직 난류 오염물질 플럭스에 큰 영향을 미쳤다. 흐름 방향으로 길게 늘어진 저속·고속 난류 구조는 세 경우 모두에서 나타났으며, 건물 높이 변동성이 존재할 때 횡방향으로 더 넓게 발달하였다. 강한 요동이 저속·고속 난류 구조의 횡방향 확장에 영향을 미치는 것으로 보인다. 사분면 분석 결과, 건물 높이 변동성이 증가할수록 더 강한 분출(ejection), 쓸기(sweep) 현상이 더 빈번하게 나타났다. 분출(쓸기)이 나타나는 영역은 오염물질 분출(쓸기)이 나타나는 영역과 잘 일치하였다. 또한 건물 높이 변동성이 존재할 경우, 순간 연직 난류 운동량 플럭스장에서 관측되는 띠(streak) 형태 구조가 횡방향으로 다소 더 넓게 분포하였다.
급속한 도시화로 인해 건물 밀도가 증가함에 따라, 도시 환경 문제를 완화하기 위한 최적의 건물 배치를 이해하는 것은 지속 가능한 도시 개발을 위해 필수적이다. 본 연구는 태양 복사 조건 하에서 고밀도 고층 건물 배열이 대기흐름과 오염물질 분산에 미치는 영향을 PALM을 이용하여 분석하였다. 3가지 평면 면적 밀도(0.04, 0.16, 0.64)와 3가지 건물 높이(80, 160, 240 m)의 조합으로 구성된 9개 수치모의를 수행하여 열·흐름 특성을 분석하였다. 혼합층 높이는 야간에는 주로 건물 높이가 증가에 따라 증가한 반면, 주간에는 주로 평면 면적 밀도가 증가에 따라 증가하였다. 고밀도 고층 배열에서는 인접 건물에 의한 태양 복사 차폐로 인해 난류 생성 및 발달이 지면 근처보다 건물 상단 부근에 집중되었다. 그 결과, 캐노피 하부 지면 근처의 혼합은 억제되는 반면, 캐노피 상부로의 오염물질 수송은 강화되었다. 이에 따라 열적 안정층이 주간에도 지속되며, 일출 이후에도 건물 캐노피 내부에서 오염물질 축적 및 대기질 악화가 나타났다. 특히, 고밀도 고층 건물 지역에서 캐노피 내부의 오염물질 농도는 같은 밀도의 저층 건물 배열 대비 약 3배까지 높았으며, 이는 높은 캐노피 종횡비가 태양 복사의 캐노피 내부 침투를 제한할 때 오염물질-저장 레짐(pollutant-storage regime)이 형성됨을 보여준다. 본 결과는 대기질 악화를 방지하기 위해 고층 건물의 과도한 군집을 지양할 필요가 있음을 강조하며, 지속 가능한 도시 설계를 위한 정량적 근거를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The urban environmental impact of tall buildings has increasingly become an important topic of investigation, with the rapid pace of tall-building constructions around the world. In this study, the effects of a tall building on pedestrian-level flow and pollutant dispersion are investigated using the parallelized large-eddy simulation model (PALM). Numerical simulations are conducted by changing the tall-building height in the configuration of a tall building surrounded by low-rise cubical buildings. As the tall-building height increases, the time- and area-averaged pedestrian-level wind speed increases, while the pollutant concentration decreases. Both the rates of change in the average wind speed and pollutant concentration decrease with increasing tall-building height. The trend of the average wind speed is attributable to an increasing tendency of oncoming flows to pass by the sides of the tall building rather than going down as the tall-building height increases. The trend of the average pollutant concentration is associated with that of the average wind speed. Instantaneous flow and pollutant dispersion are also analyzed. In the upstream region of the tall building, bulks of polluted air are repeatedly transported from further upstream regions and enter the canyon right in front of the tall building, temporarily increasing the pedestrian-level pollutant concentration near the windward wall of the tall building. In the downstream region of the tall building, at the pedestrian level, two counter-rotating vortices appear in the canyon just behind the tall building. Each of these vortices repeatedly develops at one of the two leeward corners of the tall building, moves downstream while changing its size, and disappears after reaching the windward wall of the neighboring low-rise building. These coherent vortices considerably affect the spatiotemporal variation of pedestrian-level pollutant concentration in the canyon just behind the tall building.
In built-up urban areas, there are numerous buildings of various shapes and heights, and their collective impacts on urban flow and air quality are of great concern. In the present study, the impacts of building-height variability on turbulent coherent structures above an array of square buildings and pollutant dispersion are numerically examined using PALM. Three simulations are conducted: no building-height variability case (σ/Have = 0, where σ is the standard deviation of building heights and Have is the average building height), small building-height variability case (σ/Have = 0.25), and large building-height variability case (σ/Have = 0.5). In the latter two cases, buildings of two different heights are alternately arranged. Pollutants are released from street level. As the building-height variability increases, the average pedestrian-level pollutant concentration decreases and its spatial variability becomes large. The building-height variability greatly influences turbulence intensity and vertical turbulent momentum and pollutant fluxes. The streamwise-elongated low- and high-speed flow structures appear in all three cases, and they are wider in the spanwise direction when there is building-height variability. Strong turbulent fluctuations seem to affect the spanwise extension of the high- and low-speed flow structures. Quadrant analysis shows that stronger ejection and sweep events are more frequent with increasing building-height variability. The regions of ejection (sweep) coincide well with those of pollutant ejection (pollutant sweep). When there is building-height variability, the streaky structures that appear also in the fields of instantaneous vertical turbulent momentum flux are somewhat wider in the spanwise direction.
As rapid urbanization increases building density, understanding optimal building configurations to mitigate urban environmental problems is crucial for sustainable development. This study investigates how dense high-rise building arrays affect airflow and pollutant dispersion under solar radiation using PALM. Nine simulations with varying plan area densities (0.04, 0.16, and 0.64) and building heights (80, 160, and 240 m) were conducted to analyze thermal and flow characteristics. Mixed-layer height increases primarily with building height at night but with plan area density during the day. In densely packed tall buildings, neighboring structures obstruct solar radiation, concentrating turbulence development near the tops of buildings rather than at street level. This enhances upward pollutant transport aloft while suppressing near-surface mixing below. Consequently, the thermally stable layer persists during daytime, leading to poor air quality and pollutant accumulation within the building canopy after sunrise. This suppressed mixing can result in in-canopy pollutant concentrations that are up to approximately three times higher in dense tall-building areas than in equally dense low-rise areas, establishing a pollutant-storage regime when high canopy aspect ratios limit solar penetration. These findings highlight the need to avoid excessive clustering of high-rise buildings in urban planning to prevent air quality deterioration and provide quantitative guidance for sustainable urban design.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents v
• Figure List vii
• Table List xi
• 1. Introduction 1
• 1.1. Background and Motivation 1
• 1.2. Scientific Questions 4
• 1.2.1. Dynamical effects (neutral conditions) 5
• 1.2.2. Thermodynamical effects (thermally forced conditions) 9
• 1.3. Objectives of this study 11
• 2. Numerical model system 13
• 2.1. PALM 13
• 2.2. Rapid Radiative Transfer Model for Global Models (RRTMG) 14
• 2.3. Land Surface Model (LSM) & Building Surface Model (BSM) 14
• 2.4. Radiative Transfer Model (RTM) 15
• 3. Dynamical effects of buildings on flow and pollutant dispersion under neutral conditions 17
• 3.1. Effects of single-building height: Single tall building in a low-rise array 17
• 3.1.1. Simulation design 17
• 3.1.2. Model validation 20
• 3.1.3. Mean flow and pollutant concentration 23
• 3.1.4. Instantaneous flow and pollutant concentration 39
• 3.2. Effects of building-height variability in an array: Two-height arrays with fixed average height 45
• 3.2.1. Simulation design 45
• 3.2.2. Average flow and pollutant dispersion 47
• 3.2.3. Vertical profiles of average flow, pollutant concentration, TKE, and turbulent fluxes 52
• 3.2.4. Instantaneous flow and pollutant concentration, and coherent structures 55
• 3.2.5. Turbulent fluxes and coherent structures 62
• 4. Thermodynamical effects of buildings on flow and pollutant dispersion under solar-radiation forcing 67
• 4.1. Combined effects of building height and spacing: Uniform-height building arrays 67
• 4.1.1. Simulation design 67
• 4.1.2. Model evaluation against outdoor-scale experiments 72
• 4.1.3. Urban boundary layer evolution under thermally active conditions and its implications for pollutant accumulation 75
• 4.1.4. Near-building flow structures and thermal effects driving local pollutant transport 87
• 4.1.5. Turbulent transport near the canopy top 99
• 5. Summary and conclusions 105
• References 111
• 국문 초록 121