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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정신규
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 경희대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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최근 UAM 시장이 가파르게 성장하고 있다. 모건 스탠리에 따르면, UAM 시장규모는 2050년에 9조 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 국토교통부에서 발표한 K-UAM 로드맵과 수도권 UAM (Urban Air Mobility) 실증노선안의 경우 UAM의 도심운항과 도심지인 강남구 COEX 인근 운항을 목표로 하고 있다. UAM은 도심지에서 운용이 될 것으로 예상되며 이러한 환경에서 사고가 발생한다면 높은 인구와 건물 밀도로 인해 큰 규모의 인명 및 재산 피해가 발생할 것이다. 그러므로 UAM의 도심지 운용간 안전은 중요한 문제이다.
도심지는 건물과 교량 등의 구조물로 인하여 강하고 예측하기 힘든 기류가 발생한다. 특히, UAM은 일반적인 여객기에 비해 크기가 작고 가벼우며 속도가 느리고 비행 지속시간이 짧아 바람에 더욱 취약하다. 따라서 도심지 내 UAM 운용의 안전을 위해서는 실제와 유사한 도심 풍환경에서 비행특성을 평가해야 할 필요성이 있다.
본 연구에서는 UAM을 위한 도심 풍환경의 조건으로 세가지를 고려하였다. 첫번째 조건은 도심지형 효과의 표현이다. 두번째 조건은 실제 기상조건의 반영이다. 세번째 조건은 UAM에 사용되기에 충분한 해상도와 범위이다.
첫번째와 두번째 조건에 대한 선행연구가 진행된 적이 있으나, 해당 연구는 직렬계산을 사용하여 UAM에 사용하기 충분한 범위를 계산하는데 어려움이 있다, 또한, 1-way nesting 알고리즘 사용으로 인해 각 계산격자가 상이한 해를 가져 부정확하다는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 2-way nesting 알고리즘을 이용한 LES 모델을 구축하였으며, 계산가속을 위해 병렬화 하였다.
Nesting 알고리즘은 시간과 공간에 대한 보간이 필요하다. 이때, 공간에 대한 보간 기법으로 0차 유지 기법이나 선형 보간을 사용하면 수치적 불안정성이 발생한다. 따라서, top-hat 필터를 이용하여 공간 보간을 시행하였다. Nesting 알고리즘을 적용한 결과 계산영역 밖 건물의 영향도 표현이 되는 것을 확인하였으며, 2-way nesting 알고리즘을 사용한 경우 모든 계산격자가 일관된 해를 갖는 것을 확인하였다.
2-way nesting 알고리즘을 병렬화 하기 위해 SMP (Shared Memory Parallel)와 DMP (Distributed Memory Parallel) 방식이 결합된 hybrid 방식의 병렬화를 사용하였다. SMP와 DMP, hybrid 방식 병렬화의 speedup과 효율을 비교하였다. 모든 경우 4개 노드를 사용한 hybrid 방식 병렬화가 다른 방식에 비해 speedup과 효율이 좋았으며, speedup 값이 최대 33에 달하여 직렬대비 33배 빠르게 계산하였다.
도심지는 건물과 교량 등의 구조물로 인하여 강하고 예측하기 힘든 기류가 발생한다. 특히, UAM은 일반적인 여객기에 비해 크기가 작고 가벼우며 속도가 느리고 비행 지속시간이 짧아 바람에 더욱 취약하다. 따라서 도심지 내 UAM 운용의 안전을 위해서는 실제와 유사한 도심 풍환경에서 비행특성을 평가해야 할 필요성이 있다.
본 연구에서는 UAM을 위한 도심 풍환경의 조건으로 세가지를 고려하였다. 첫번째 조건은 도심지형 효과의 표현이다. 두번째 조건은 실제 기상조건의 반영이다. 세번째 조건은 UAM에 사용되기에 충분한 해상도와 범위이다.
첫번째와 두번째 조건에 대한 선행연구가 진행된 적이 있으나, 해당 연구는 직렬계산을 사용하여 UAM에 사용하기 충분한 범위를 계산하는데 어려움이 있다, 또한, 1-way nesting 알고리즘 사용으로 인해 각 계산격자가 상이한 해를 가져 부정확하다는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 2-way nesting 알고리즘을 이용한 LES 모델을 구축하였으며, 계산가속을 위해 병렬화 하였다.
Nesting 알고리즘은 시간과 공간에 대한 보간이 필요하다. 이때, 공간에 대한 보간 기법으로 0차 유지 기법이나 선형 보간을 사용하면 수치적 불안정성이 발생한다. 따라서, top-hat 필터를 이용하여 공간 보간을 시행하였다. Nesting 알고리즘을 적용한 결과 계산영역 밖 건물의 영향도 표현이 되는 것을 확인하였으며, 2-way nesting 알고리즘을 사용한 경우 모든 계산격자가 일관된 해를 갖는 것을 확인하였다.
2-way nesting 알고리즘을 병렬화 하기 위해 SMP (Shared Memory Parallel)와 DMP (Distributed Memory Parallel) 방식이 결합된 hybrid 방식의 병렬화를 사용하였다. SMP와 DMP, hybrid 방식 병렬화의 speedup과 효율을 비교하였다. 모든 경우 4개 노드를 사용한 hybrid 방식 병렬화가 다른 방식에 비해 speedup과 효율이 좋았으며, speedup 값이 최대 33에 달하여 직렬대비 33배 빠르게 계산하였다.
목차
제 1 장 서론 11.1 연구배경 및 동향 11.2 연구목적 3제 2 장 계산 기법 42.1 LES 모델 42.2 도심지형 재구축 8제 3 장 2-way nested LES 구현 123.1 Nesting 알고리즘 123.2 Top-hat filter를 이용한 공간 보간 213.3 1-way nesting 및 2-way nesting 알고리즘 적용 결과 26제 4 장 2-way nested LES의 병렬화 324.1 Hybrid 방식 병렬화 324.2 병렬화 된 nesting 알고리즘의 통신 364.3 병렬화 성능비교 41제 5 장 결론 46참고문헌 48Abstract 50
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