바람을 연구하기 바람- 자연대류 유체역학 시뮬레이션
열전달 방식에는 전도, 대류, 복사가 있으며 그중 대류는 유체가 열을 머금고 흐르며 에너지를 전달하는 과정입니다. 특히 외부의 힘 없이 온도 변화에 따른 밀도 차이와 부력으로 발생하는 현상을 '자연대류'라고 부릅니다. 이러한 대류 현상은 도시 열섬 현상을 분석하거나 효율적인 열교환기를 설계하는 등 다양한 공학적 분야에서 매우 중요하게 다뤄집니다. 하지만 불규칙한 난류의 특성 때문에 이를 정확히 예측하는 것은 매우 어렵습니다. 유체의 미세한 움직임과 거대한 흐름이 서로 복잡하게 얽혀 상호작용하기 때문입니다. 이러한 복잡한 현상을 규명하기 위해서는 고도로 정밀한 수치해석이 반드시 동반되어야 합니다. 연세대학교 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 거대 규모의 난류 자연대류 현상을 수치해석하는 연구를 진행하고 있습니다. 전산유체역학(CFD) 기술을 이용하면 가상 공간에서 유체의 속도와 압력을 계산할 수 있는데, 이는 물리 법칙인 나비에-스토크스 방정식을 수치해석하는 과정입니다. 특히 자연대류는 온도에 따라 변하는 유체의 물리적 특성을 모두 실시간으로 고려해야 하므로 일반적인 시뮬레이션보다 훨씬 까다로운 작업입니다. 연구팀은 KISTI 슈퍼컴퓨터를 기반으로 대규모 3차원 난류를 정밀하게 모사할 수 있는 수치해석 프로그램을 개발하였으며, 이를 통해 유동의 변화를 정확하게 예측하고 대규모 영역을 효율적으로 계산할 수 있는 기반을 마련했습니다. 이번 연구를 통해 확보된 유동 정보는 향후 난류 모델링의 정확도를 높이고 수치해석 프로그램의 강건성을 강화하는 데 기여할 것입니다. 나아가 연구팀은 이러한 수치해석 기술을 도심 풍환경 관리를 위한 '디지털 트윈' 기술에 접목할 계획입니다. 가상 공간에 실제 도시를 똑같이 구현함으로써 바람의 흐름을 예측하고 오염 물질 저감을 위한 최적의 방안을 찾아낼 수 있습니다. 이처럼 방대한 정보를 처리하고 정밀한 모사를 수행하기 위해 슈퍼컴퓨터는 핵심적인 역할을 수행합니다. 첨단 기술의 융합은 우리가 실생활에서 체감하는 주거 환경의 질을 한 단계 높이는 중요한 밑거름이 될 것으로 전망됩니다.
