전산유체역학 기반의 악취 확산 모델링 및 통합 모니터링 시스템

프로젝트 개요

전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 기반 악취 확산 모델링 프로젝트는 축산시설에서 발생하는 악취 물질의 대기 중 확산 경로와 농도 분포를 과학적으로 예측하는 시뮬레이션 시스템을 개발한 사업입니다. Python 기반의 CFD 솔버를 활용하여 지형, 건물, 기상 조건을 반영한 3차원 유동장 해석을 수행하고, 악취 물질의 이류·확산·침적 과정을 수치적으로 모사합니다. 실측 데이터와의 검증을 통해 모델의 신뢰성을 확보하였으며, 악취 영향권 예측과 저감 시설 배치 최적화를 지원하는 환경 의사결정 도구입니다.

핵심 기능

3차원 CFD 유동장 해석 엔진

축산시설 주변의 악취 확산은 지형 기복, 건물 배치, 대기 안정도, 풍속·풍향 등 복합적 요인에 의해 결정되며, 가우시안 확산 모델과 같은 단순 해석 모델로는 복잡한 지형에서의 유동 패턴(후류, 와류, 역류)을 정확히 예측할 수 없었습니다.

Python 기반 CFD 프레임워크를 활용하여 Navier-Stokes 방정식의 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 수행합니다. 수치 지형 모델(DEM)과 건물 3D 모델을 입력으로 비정렬 격자를 자동 생성하고, k-ε 난류 모델을 적용하여 대기 경계층의 난류 구조를 모사합니다. 대기 안정도 등급(Pasquill-Gifford)에 따른 경계 조건 설정을 자동화하여, 기상 조건별 시나리오 분석을 효율적으로 수행할 수 있습니다.

악취 확산 예측 및 3D 가시화

CFD 유동장 해석 결과를 바탕으로 악취 물질의 농도 분포를 산출하고, 이를 비전문가(환경 관리 담당자, 지역 주민)도 직관적으로 이해할 수 있는 형태로 시각화해야 했습니다.

유동장 해석 결과에 스칼라 이송 방정식을 커플링하여 악취 물질의 이류·난류확산·지표면 침적을 계산합니다. 복수 발생원의 동시 방출과 화학 반응에 의한 농도 변화를 고려하며, 계산 결과를 3D 등농도면(Iso-surface), 수평·수직 단면 농도 분포, 지상면 농도 맵으로 가시화합니다. 웹 기반 3D 뷰어를 통해 시점을 자유롭게 조절하며 확산 패턴을 탐색할 수 있으며, 시간에 따른 확산 과정을 애니메이션으로 재생하는 기능도 제공합니다.

PythonCFD/FVMNumPy/SciPyParaViewOpenFOAM

프로젝트 성과

• 과학적 예측: 실측 불가능한 미래 확산 시나리오를 수치 시뮬레이션으로 사전 예측 가능

• 시설 최적화: 악취 저감 시설(바이오커버, 방풍림 등)의 배치 위치·규모 최적화에 CFD 결과 활용

• 환경 영향 평가: 신규 축산시설 인허가 시 악취 영향권 예측 자료로 활용 가능

• 기술 확장: 대기 오염 물질(미세먼지, VOCs) 확산 모델링, 도시 바람길 분석 등으로 응용 가능

기술적 의의

전산유체역학(CFD)이라는 고급 수치해석 기술을 환경 문제 해결에 적용한 융합 기술 프로젝트입니다. Navier-Stokes 방정식 기반의 유동 해석과 스칼라 이송 모델링에 대한 깊은 이론적 이해, Python 기반 과학 컴퓨팅 역량, 3D 가시화 기술을 결합하여 환경 분야 AI·시뮬레이션 전문성을 입증합니다.