PIV에 의한 건물주변의 속도장에 관한 풍동실험 : 보행자 공간의 풍환경을 중심으로 = A Wind Tunnel Test using PIV on Velocity Fields Around Buildings

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 PIV시스템을 사용하여 건물의 모양별 높이별로 빌딩바람이 많이 일어나는 건물주위의 속도장을 알아보기 위해서 약 20가지의 풍동실험을 통해 강한 3차원 난류장에서의 풍속분포와 또한 수치해석의 결과와 비교하고 그 Data의 유효성을 확인하였다. 그리고 건물의 형상, 높이, 수풍단면적 등이 건물주변의 풍속에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다.
그 결과는 다음과 같다.
첫째, PIV시스템을 이용한 건물 지상 10m에서 수평단면의 풍속을 측정한 풍동실험 결과와 CFD를 사용한 LES model 시뮬레이션 결과에서 지상 10m높이의 수평성분의 최고풍속은 풍동실험과 CFD 시뮬레이션이 동일하게 나타났으며, 풍속 vector도 풍속이 아주 약한 후류부분을 제외하고 전반적으로 비슷한 양상을 보였다.
둘째, 건물 형상에 따른 풍속분포 실험에서 실험풍향이 0°일 때 건물 주변에 나타난 지상 10m높이의 수평성분의 최고풍속 영역은 정사각형 건물의 경우 1.16, 직사각형 건물의 경우 1.16, 원형건물의 경우 1.0, 모서리 절삭 사격형의 경우 0.88로 나타났다. 실험풍향이 45°일 때는 정사각형 건물 1.12 모서리 절삭 사각형 건물 1.12, 직사각형 건물 1.08 원형 건물 1.04로 나타났다.
셋째, 건물 높이에 따른 풍속분포 실험 중 풍향 0°에서 지상 10m높이의 수평성분에 의한 최고풍속 영역은 정사각형 건물이 건물높이 150m(1.04) > 90m(0.96) > 60m(0.92) > 30m(0.88)로 나타났고 직사각형 건물의 경우 150m(1.12) > 90m(1.04) > 60m(0.92) > 30m(0.92), 원형 건물의 경우 150m(1.08) > 90m(0.96) > 60m(0.92) > 30m(0.92)로 나타났다. 실험풍향이 45°일 때는 정사각형 건물의 경우 150m(1.12) > 90m(1.08) > 60m(1.0) > 30m(0.96)로 나타났고, 직사각형 건물의 경우 150m(1.2) > 90m(1.12) > 60m(1.04) > 30m(0.92)로 나타났다. 전반적으로 건물높이가 커질수록 최고풍속은 증가하는 경향을 보였다. 그리고 직사각형 건물이 가장 큰 풍속증가율을 보였다.
넷째, 건물높이와 수풍단면적이 커질수록 풍속이 높게 나타났다. 수풍단면적과 주변풍속의 관계는 풍속 y = 0.0931x + 0.9129로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the predictions of strong wind around 3 dimensional building shapes model with various height and 2 different attack angle (0° and 45°) was conducted using PIV system, and in the present paper, the wind tunnel tests were carried out on 20 test of building models, In this study, the results of a PIV experimental technique has been compared to the flow-field results of CFD simulation to know the validity of measured wind speed.
The wind tunnel test results are as follows:
First, the wind tunnel test was conducted to measured velocity distributions around buildings in horizontal cross-section at 10m above ground using PIV experimental technique and CFD simulation is also conducted to check the validity of velocity distributions using LES turbulence model. The comparison results showed good agreement in velocity distribution between experiment and simulation results.
Second, the experiments were carried out to measure the wind speed around building shapes for attack angle 0° in horizontal cross-section at 10m above ground and the results of maximum wind speed for (square building shape is 1.16), (rectangular shape is 1.16), (circular building is 1.0), (Rectangular corner-cut is 0.88). Also for attack angle 45° the results of maximum wind speed for rectangular corner-cut is 1.12, square building is 1.12, rectangular building is 1.08 and circular building is 1.04.
Third, the experiments were carried out to measure the wind speed around building shapes with various height in horizontal cross-section at 10m above ground. As the results, the maximum wind speed of attack angle 0° for square building 150m(1.04) > 90m(0.96) > 60m(0.92) > 30m(0.88), for rectangular buildings 150m(1.12) > 90m(1.04) > 60m (0.92) > 30m(0.92), and circular building, the 150m(1.08) > 90m(0.96) > 60m(0.92) > 30m(0.92).
Also for attack angle 45°, square building 150m(1.12) > 90m(1.08) > 60m(1.0) > 30m(0.96), rectangular building 150m (1.2)> 90m (1.12)> 60m (1.04)> 30m (0.92).
It's conclude that, Generally the higher of the buildings it will increase the wind speed and the rectangular building was the highest for increasing wind speed.
Fourth, building dimensions and maximum wind speed has relations, and the relationship between maximum wind speed and dimension of buildings were y = 0.0931x + 0.9129.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구의 목적 = 1
• Ⅱ. 문헌연구 = 3
• 2.1 PIV시스템의 원리 = 3
• 2.1.1 PIV 시스템의 개요 = 3
• 2.1.2 PIV 시스템에 의한 속도장 측정 방법 = 4
• 2.2 빌딩주변의 풍환경 = 10
• 2.3 초고층건물주변의 강풍발생 패턴 = 11
• 2.4 풍환경의 예측방법 = 12
• 2.5 풍환경 평가방법 = 15
• 2.5.1 Davenport의 풍환경 평가기준 = 16
• 2.5.2 Murakami의 풍환경 평가기준 = 17
• 2.5.3 Melbourne의 풍환경 평가기준 = 18
• Ⅲ. 풍동 및 측정 실험모델의 개요 = 20
• 3.1 풍동실험장치의 개요 = 20
• 3.2 풍동 내 기류특성 = 21
• 3.3 실험에 사용된 PIV에 의한 시스템 = 23
• 3.4 PIV장치의 실험설정 = 25
• 3.5 실험풍속 = 25
• 3.6 실험의 종류 = 26
• 3.6.1 건물의 형상별 실험모형(실험Ⅰ) = 27
• 3.6.2 건물의 높이별 실험모형(실험Ⅱ) = 28
• 3.7 풍동 실험결과와 수치해석 결과의 비교 = 29
• Ⅳ. 측정결과 및 고찰 = 34
• 4.1 건물의 형상별 실험 풍속분포(실험Ⅰ) = 34
• 4.1.1 풍향 0°의 경우 = 34
• 4.1.2 풍향 45°의 경우 = 39
• 4.2 건물의 높이별 실험 풍속분포(실험Ⅱ) = 44
• 4.2.1 풍향 0°의 경우 = 44
• 4.2.2 풍향 45°의 경우 = 59
• 4.3 건물의 수풍단면적과 높이에 따른 주변 풍속 = 69
• Ⅴ. 결론 = 71
• 참고문헌 = 73
• ABSTRACT = 77
• 국문초록 = 80
• 감사의 글 = 82