풍력공학

풍력공학은 자연 및 건설 환경에서 바람의 영향을 분석하고 바람으로 인해 발생할 수 있는 손상, 불편함 또는 이점을 연구하는 기계 공학, 구조 공학, 기상학 및 응용 물리학의 하위 집합입니다.공학 분야에서는 불쾌감을 유발할 수 있는 강풍과 광범위한 파괴를 일으킬 수 있는 토네이도, 허리케인 또는 심한 폭풍과 같은 극단적인 바람을 포함한다.풍력 에너지 및 대기 오염 분야에서는 낮은 바람과 중간 정도의 바람도 포함되는데, 이는 전기 생산 및 오염 물질 분산과 관련이 있기 때문이다.

풍력 공학은 기상학, 유체 역학, 역학, 지리 정보 시스템 및 공기 역학 및 구조 ^[1]역학 등 많은 전문 공학 분야를 활용합니다.사용되는 도구에는 대기 모델, 대기 경계층 풍동 및 계산 유체 역학 모델이 포함됩니다.

풍력 공학은 특히 다음과 같은 주제를 포함한다.

구조물(건물, 교량, 주탑)에 대한 바람 영향
건물 근처에서의 바람의 쾌적함
건물의 환기시스템에 미치는 바람의 영향
풍력에너지를 위한 풍속 기후
건물 주변의 대기 오염

구조 엔지니어는 풍력 공학을 지진 공학 및 폭발 방지와 밀접한 관련이 있는 것으로 간주할 수 있다.

캔들스틱 파크와 아서 애쉬 스타디움과 같은 몇몇 스포츠 경기장은 경기 조건에 영향을 미치는 강풍으로 알려져 있다.

역사

별도의 분야로서의 풍력 공학은 1960년대에 영국 국립 물리 연구소, 건물 연구 시설 등에서 비공식 회의가 열렸던 것으로 추적할 수 있다."^[2]풍력 공학"이라는 용어는 1970년에 처음 만들어졌습니다.Alan Garnett Davenport는 풍력 ^[3]공학 발전에 가장 중요한 공헌자 중 한 명이었다.그는 앨런 데이븐포트 풍하중 체인(Alan Davenport wind-loading chain) 또는 다양한 ^[4]구성 요소가 구조물에 계산된 최종 하중에 어떻게 기여하는지를 설명하는 짧은 "풍하중 체인(wind-loading chain)"을 개발한 것으로 잘 알려져 있다.

건물에 대한 풍하중

건물 설계는 풍하중을 고려해야 하며, 풍하중은 풍하중의 영향을 받는다.공학적 목적을 위해 멱법칙 풍속 프로파일은 다음과 ^[5]^[6]같이 정의할 수 있다.

\v_{z}=v_{g}\cdot \left\frac {z}{z_{g}}\오른쪽)^{\frac {1}{\alpha }}, 0<z_{g}}

여기서:

\ v_{z}

z

{\displaystyle

\

v_{

z} =

\ v_{z}

\ z

z

{\displaystyle

\

\ z

z}에서의 풍속

\ v_{g}

g

\ v_{g}

\

v_{g}

=

\ v_{g}

경사

\ z_{g}

에서의 경사 바람

\ z_{g}

g

\ z_{g}

{\

displaystyle

\

z_{g}

\ \alpha

{\

displaystyle \\alpha }

=

\ \alpha

지수 계수

일반적으로 건물은 50년 이상 등 매우 긴 복귀 기간을 가진 강풍에 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다.설계 풍속은 미래 극한 풍속을 예측하기 위해 극단값 이론을 사용한 과거 기록에서 결정된다.풍속은 일반적으로 일부 지역 설계 표준 또는 표준에 따라 계산된다.건물 풍하중에 대한 설계 표준에는 다음이 포함됩니다.

AS 1170.2(호주용)
EN 1991-1-4(유럽용)
캐나다용 NBC

바람의 쾌적함

고층 타워 블록의 출현은 이 건물들로 인해 인근 보행자들에게 야기된 바람 피해에 대한 우려로 이어졌다.

다음과 ^[7]같은 다양한 보행자 활동을 기반으로 1971년부터 많은 바람 쾌적성 및 바람 위험 기준이 개발되었다.

장시간 앉아 있다
짧은 시간 동안 앉아 있다
산책
빨리 걷다

다른 기준은 바람 환경을 완전히 허용할 수 없거나 위험한 것으로 분류했다.

1개의 직사각형 건물과 2개의 직사각형 건물로 구성된 건물 지오메트리는 여러 가지 잘 알려진 ^[8]^[9]효과를 가집니다.

코너 제트라고도 하는 코너 스트림은 건물 모서리 주변에 있습니다.
압력 단락으로 인해 건물을 통과하는 통로 또는 두 건물 사이의 작은 틈새에 있는 통과 흐름(통로 제트라고도 함)
빌딩에 의한 소용돌이 제거

보다 복잡한 기하학적 구조의 경우 보행자 바람의 쾌적성 연구가 필요하다.이것들은 경계층 풍동에 적절한 스케일링 모델을 사용할 수 있으며, 최근에는 계산 유체 역학 기법의 사용이 ^[10]증가하고 있다.주어진 초과 확률에 대한 보행자 수준 풍속은 지역 풍속 ^[11]통계를 위해 계산된다.

이러한 연구에 사용된 수직 바람 프로파일은 건물 주변의 지형(풍향에 따라 다를 수 있음)에 따라 다르며,^[12] 종종 다음과 같은 범주로 분류된다.

장애물이 적거나 전혀 없는 개방된 지형과 사용 가능한 풍속에서의 수면
수면, 탁 트인 지형, 일반적으로 높이가 1.5~10m인 산란 장애물이 거의 없는 초원
교외 주택 구역과 같이 3~5m 높이에서 촘촘한 간격으로 장애물이 다수 있는 지형
대도시 중심부 및 잘 발달된 산업단지 등 크고 높은(10~30m 높이) 및 촘촘한 장애물이 많은 지형

풍력 터빈

풍력 터빈은 윈드 시어의 영향을 받는다.수직 풍속 프로파일은 지면에 가장 가까운 날개에서 날개 이동 상단과 비교하여 다른 풍속을 발생시키며, 이는 터빈 ^[13]작동에 영향을 미친다.바람 구배는 블레이드가 ^[14]수직일 때 두 개의 날개 달린 터빈의 축에 큰 휨 모멘트를 생성할 수 있습니다.물 위의 바람 구배 감소는 얕은 ^[15]바다에서 더 짧고 더 저렴한 풍력 터빈 타워를 사용할 수 있다는 것을 의미한다.

풍력 터빈 엔지니어링의 경우 높이에 따른 풍속 변동은 종종 멱함수 ^[13]법칙을 사용하여 근사됩니다.

\displaystyle \ v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \leftfac {h}{h_{ref}}\오른쪽)^{a}}

여기서:

\ v_{w}(h)

w

\ v_{w}(h)

(

\ v_{w}(h)

) {

displaystyle

\

v_{w}(h)

=

\ v_{w}(h)

높이

h

{

style

h

}

[

h

m/s]에서의 바람 속도

\ v_{ref}

\ v_{ref}

e

\ v_{ref}

{

displaystyle

\

v

_

{

ref } =

\ v_{ref}

기준

h_{ref}

h

h_{ref}

h_{ref}

f {

style h

_ {

ref

} [ m / s ]

(\displaystyle \a)

=

\ a

Hellman 지수(멱함수 또는 전단 지수라고도 함) (~= 중성 흐름의 1/7이지만 >1)

중요성

풍공학의 지식은 모든 고층 건물, 사장교, 사장교, 송전탑 및 통신탑, 기타 모든 유형의 타워 및 굴뚝을 분석하고 설계하는 데 사용됩니다.풍하중은 많은 고층 건물의 해석에서 지배적인 하중이기 때문에 풍공학은 그 해석과 설계에 필수적입니다.다시 말하지만, 풍하중은 모든 장경간 케이블 교량의 해석과 설계에서 지배적인 하중이다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (2017-04-18). "Building a Digital Wind Farm". Archives of Computational Methods in Engineering. 25 (4): 879–899. doi:10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN 1134-3060. PMC 6209038. PMID 30443152.
^ Cochran, Leighton; Derickson, Russ (April 2011). "A physical modeler's view of Computational Wind Engineering". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 99 (4): 139–153. doi:10.1016/j.jweia.2011.01.015.
^ Solari, Giovanni (2019). Wind Science and Engineering: Origins, Developments, Fundamentals and Advancements. Springer Tracts in Civil Engineering. Cham: Springer International Publishing. doi:10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN 978-3-030-18814-6.
^ Isyumov, Nicholas (May 2012). "Alan G. Davenport's mark on wind engineering". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 104–106: 12–24. doi:10.1016/j.jweia.2012.02.007.
^ Crawley, Stanley (1993). Steel Buildings. New York: Wiley. p. 272. ISBN 978-0-471-84298-9.
^ Gupta, Ajaya Kumar and Peter James Moss (1993). Guidelines for Design of Low-Rise Buildings Subjected to Lateral Forces. Boca Raton: CRC Press. p. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.
^ 건물 주변의 보행자 바람 쾌적성: 바람 쾌적성 기준 비교.표 3
^ 건물 주변의 보행자 바람 쾌적성: 바람 쾌적성 기준 비교.그림 6
^ 보행자에게 미치는 바람의 영향.그림 3
^ 건물 주변 보행풍환경에 CFD를 적용하기 위한 AIJ 지침
^ 건물 주변의 보행자 바람 환경 p112
^ AS/NZS 1170.2:2011 구조 설계 작용 파트 2 – 바람 작용.섹션 4.2
^ ^a ^b Heier, Siegfried (2005). Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. Chichester: John Wiley & Sons. p. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.
^ Harrison, Robert (2001). Large Wind Turbines. Chichester: John Wiley & Sons. p. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.
^ Lubosny, Zbigniew (2003). Wind Turbine Operation in Electric Power Systems: Advanced Modeling. Berlin: Springer. p. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

외부 링크

기본 풍속도(미국)
풍하중 계산기(봉투 절차)
"How Tall Buildings Tame the Wind". The B1M. September 12, 2018. Archived from the original on 2021-12-15 – via YouTube.

[1] Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (2017-04-18). "Building a Digital Wind Farm". Archives of Computational Methods in Engineering. 25 (4): 879–899. doi:10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN 1134-3060. PMC 6209038. PMID 30443152.

[2] Cochran, Leighton; Derickson, Russ (April 2011). "A physical modeler's view of Computational Wind Engineering". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 99 (4): 139–153. doi:10.1016/j.jweia.2011.01.015.

[3] Solari, Giovanni (2019). Wind Science and Engineering: Origins, Developments, Fundamentals and Advancements. Springer Tracts in Civil Engineering. Cham: Springer International Publishing. doi:10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN 978-3-030-18814-6.

[4] Isyumov, Nicholas (May 2012). "Alan G. Davenport's mark on wind engineering". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 104–106: 12–24. doi:10.1016/j.jweia.2012.02.007.

[Crawley-5] Crawley, Stanley (1993). Steel Buildings. New York: Wiley. p. 272. ISBN 978-0-471-84298-9.

[Gupta-6] Gupta, Ajaya Kumar and Peter James Moss (1993). Guidelines for Design of Low-Rise Buildings Subjected to Lateral Forces. Boca Raton: CRC Press. p. 49. ISBN 978-0-8493-8969-6.

[7] 건물 주변의 보행자 바람 쾌적성: 바람 쾌적성 기준 비교.표 3

[8] 건물 주변의 보행자 바람 쾌적성: 바람 쾌적성 기준 비교.그림 6

[9] 보행자에게 미치는 바람의 영향.그림 3

[10] 건물 주변 보행풍환경에 CFD를 적용하기 위한 AIJ 지침

[11] 건물 주변의 보행자 바람 환경 p112

[12] AS/NZS 1170.2:2011 구조 설계 작용 파트 2 – 바람 작용.섹션 4.2

[Heier-13] Heier, Siegfried (2005). Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. Chichester: John Wiley & Sons. p. 45. ISBN 978-0-470-86899-7.

[14] Harrison, Robert (2001). Large Wind Turbines. Chichester: John Wiley & Sons. p. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.

[Lubosny-15] Lubosny, Zbigniew (2003). Wind Turbine Operation in Electric Power Systems: Advanced Modeling. Berlin: Springer. p. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

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