디지타이저 및 제너레이터 전문기업 스펙트럼 인스트루먼트(Spectrum Instrumentation)의 플래그십 초고속 디지타이저, M5i.3321가 3D 난류 시뮬레이션 모델링에 도입되어 뛰어난 정확성을 입증했다.

M5i.3321은 풍력 시뮬레이션 설비를 제공하는 덴마크 회사 빈드-빈드(Vind-Vind)의 3D 난류 시뮬레이션 모델링에 도입돼 바람을 타고 이동하는 수많은 먼지 입자 데이터를 수집 및 분석하고, 바람이 건물에 미치는 효과를 성공적으로 측정한다.

기존 대형건물 설계에 있어 가장 일반적이고 오랜 기간 풍하중을 측정하는 방식은 풍동실험이다. 이는 건물과 주변 환경을 축소한 실험모형을 제작, 풍동장에 설치해 바람이 건축물에 어떤 영향을 끼치는지를 실험하는 방식이다. 다만 최대 풍하중을 정확하게 측정하지 못하고 동시에 여러 방향에서 난류가 형성되지 않아 정확한 측정이 어렵다는 한계가 존재한다.

빈드-빈드는 스펙트럼 인스트루먼트의 M5i.3321를 도입해 보다 사실적이고 새로운 난류 3D 시뮬레이션 모델을 개발했다. 공기 중의 입자가 레이저를 반사하는 도플러 효과로 빛이 반사되어 생기는 변화를 분석해 바람이 건물에 미치는 효과를 측정한 것이다. 3D 난류 시뮬레이션 모델은 사방에서 난류가 형성되는 대기 상층부의 영향을 포함, 도시 환경에서 측정된 난류를 비교 평가하여 데이터를 수집, 이후 컴퓨터 시뮬레이션의 검증에 활용된다. 이 모델은 10ns 펄스 LIDAR 시스템으로 수집된 데이터를 사용한다.

바람을 타고 이동하는 수많은 먼지 입자를 추적하는 데는 엄청난 양의 데이터가 생성되기 때문에 빈드-빈드는 대량의 데이터를 처리하기 위해 스펙트럼의 SCAPP(Spectrum의 CUDA Access for Parallel Processing)를 사용했다. 스펙트럼의 M5i 디지타이저는 16레인 PCIe 인터페이스를 갖춰 초당 최대 12.8 GB의 수집된 데이터를 컴퓨터 CPU가 아닌 CUDA 기반 그래픽 카드로 직접 전송한다. CUDA 기반 그래픽 카드(6,144개 코어 GPU의 엔비디아 쿼드로 A4000)는 6코어 또는 8코어 CPU보다 훨씬 빠른 데이터 처리속도를 가진다.

페르 요르겐센(Per Jørgensen) 빈드-빈드 CEO는 "우리의 3D 난류 시뮬레이션은 현실에서 발생할 수 있는 다양한 변수를 고려하기에, 제한된 환경에서 진행되는 풍동실험 보다 더 높은 수준의 안전성과 정확도(wind comfort)를 갖는다"라며 "이는 기존에 풍동실험 모델의 부정확성으로 인해 고려되던 과잉 사양을 제거해 불필요한 자재 사용을 줄이는 등 지속가능성을 개선하고 비용을 절감할 수 있다”라고 설명했다.

또한 "현재로서 바람의 움직임을 측정하는 방법은 장거리 저해상도 측정과 단거리 고해상도 측정 두 가지 방법이 있다. 우리는 3.2 GS/s의 초고속 샘플링 속도와 12비트 분해능으로 데이터 수집을 지원하는 스펙트럼 디지타이저를 통해 장거리에서도 고해상도 측정을 가능케하는 LIDAR 기반의 기기를 개발했다”라며 “본 장비는 잡음이 많거나 미약한 신호도 포착할 수 있게 하며, 고주파 노이즈를 즉시 식별하고 필터링하여, 추후 처리과정에서 저주파 노이즈만 남게 된다”라고 말했다.

빈드-빈드는 새로운 3D 난류 시뮬레이션이 도시 환경, 풍력 터빈 클러스터, 교량 또는 공항에서의 대기 난류와 같은 복잡한 바람 상호작용 등 일반적인 풍동실험에서 확인할 수 없는 정보를 입증할 수 있어 유용하게 활용될 것으로 예상한다.

빈드-빈드는 혁신적인 LIDAR 시스템 생산 및 판매에 주력하는 PJ Science ApS와 건설 산업을 위한 풍향풍속 분석을 수행하는 컨설팅 회사인 Vind-Vind ApS, 두 개의 자회사로 구성되어 있다. 자세한 정보는 www.vindvind.com에서 확인할 수 있다.​