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⑨ CFD 및 3D모델링을 통한 사고조사기술 개발
이경인 기자  |  oppaes@gasnews.com
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[1280호] 승인 2016.12.15  23:12:00
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[가스신문=이경인 기자] 가스사고 원인을 규명하기 위해서 사고 현장조사와 재연실험이 가장 많이 활용된다.

최근에는 3D기술이 발전함에 따라 가상의 시뮬레이션 기법도 많이 도입되고 있는 추세다. 이는 가상 모형의 움직임을 연구해 실제 현상을 추론하는 것으로, 각 산업분야의 제품 연구와 개발에 활용되고 있다.

이 기술은 가스사고와 관련해서도 가스폭발 시 폭발과압에 의한 피해거리를 산출하는 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 또한, 실제 실험에 투입되는 많은 비용과 시간도 줄일 수 있어 사고 원인 조사가 훨씬 더 효율적으로 이뤄질 수 있다.

이에 가스안전공사에서는 가스폭발 및 파열사고, 독성가스 누출 확산 사고에 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 활용해 사고 원인을 규명하는 기술을 세계적인 기술로 발전시키기 위해 글로벌 Top 기술로 선정하고 본격적인 연구개발을 추진 중이다.

우선, 전산유체역학 (Computa

-tional Fluid Dynamics) 이란 유체역학과 수치해석을 병합시켜 수학적으로 풀기 어려운 비선형 편미분 방정식들(Nonliner Partial Differential Equations)의 근사해를 구하는 학문으로서 근간 20여년 동안 컴퓨터의 발달과 더불어 급속히 발전해 온 유체역학의 한 분야이다.

가스사고 원인을 밝히기 위한 시뮬레이션을 하기 위해서는 사고 현장이나 시설·제품 모델링을 시작으로 요소분할 작업을 자동으로 행하는 프리프로세서가 필요하다. 이어 연산을 푸는 솔버와 해석결과를 그랙픽스로 표시하는 포스트 프로세서가 갖춰져야 한다.

이 가운데 가장 오랜 시간 고도의 작업이 필요한 분야가 현장 시설이나 시설 제품을 모델링하는 것이다.

이 기술은 1차원 막대, 2차원 삼각형·사각형, 3차원의 중실체(사면체·6면체 등) 등으로 만드는 것인데, 복잡하고 다양한 시설 및 제품을 모델링하기에는 많은 시간과 노력이 필요하다.

이 복잡하고 다양한 시설을 3D로 손쉽게 표현할 수 있는 것이 바로 3D 스캐너 기술이다.

이 기술은 플랜트 같이 복잡 다양한 가스시설을 3D스캐너를 통해 여러 번 다른 각도와 모습에서 촬영하고, 컴퓨터 프로그램을 활용해 시설현장을 시각적으로 표현할  수 있다. 또한 이를 통해 파괴된 가스폭발사고 현장의 모습을 재구성해 CFD로 활용 가능하도록 모델링을 할 수 있다. 여기에 해석프로그램의 수치적 연산과 솔버를 접목할 수 있다면 사고 내면에 숨겨져 있는 역학 관점에서의 정확한 사고 매커니즘을 분석해 어떤 환경과정을 거쳐 사고가 발생했는지 파악이 가능하다.

이에 가스안전공사에서는 올해 말까지 3D스캐너 장비 및 모델링 프로그램을 갖추고, 내년에는 3D스캐너 장비를 통해 사고현장을 재구성하고 모델링화 하는데 적극 활용할 계획이다. 이후 3D스캐너를 통해 모델링화 된 형상이 CFD와 접목될 수 있도록 S/W를 활용하고, CFD 시뮬레이션 해석 전문가를 육성할 방침이다.

이런 노력을 바탕으로 오는 2018년에는 사고현장 CFD활용 역학적 관점에서의 사고원인분석에 대한 논문을 발표하고, 국내·외에 저널을 실어 세계적 수준의 사고조사 기법을 검증받고, 가스누출 확산·화재·폭발 및 파열에 대해 사고조사 가이드를 제정하여 배포할 계획이다.

가스사고 원인을 규명하기 위해서 사고 현장조사와 재연실험이 가장 많이 활용된다.

최근에는 3D기술이 발전함에 따라 가상의 시뮬레이션 기법도 많이 도입되고 있는 추세다. 이는 가상 모형의 움직임을 연구해 실제 현상을 추론하는 것으로, 각 산업분야의 제품 연구와 개발에 활용되고 있다.

이 기술은 가스사고와 관련해서도 가스폭발 시 폭발과압에 의한 피해거리를 산출하는 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 또한, 실제 실험에 투입되는 많은 비용과 시간도 줄일 수 있어 사고 원인 조사가 훨씬 더 효율적으로 이뤄질 수 있다.

이에 가스안전공사에서는 가스폭발 및 파열사고, 독성가스 누출 확산 사고에 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 활용해 사고 원인을 규명하는 기술을 세계적인 기술로 발전시키기 위해 글로벌 Top 기술로 선정하고 본격적인 연구개발을 추진 중이다.

우선, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 이란 유체역학과 수치해석을 병합시켜 수학적으로 풀기 어려운 비선형 편미분 방정식들(Nonliner Partial Differential Equations)의 근사해를 구하는 학문으로서 근간 20여년 동안 컴퓨터의 발달과 더불어 급속히 발전해 온 유체역학의 한 분야이다.

가스사고 원인을 밝히기 위한 시뮬레이션을 하기 위해서는 사고 현장이나 시설·제품 모델링을 시작으로 요소분할 작업을 자동으로 행하는 프리프로세서가 필요하다. 이어 연산을 푸는 솔버와 해석결과를 그랙픽스로 표시하는 포스트 프로세서가 갖춰져야 한다.

이 가운데 가장 오랜 시간 고도의 작업이 필요한 분야가 현장 시설이나 시설 제품을 모델링하는 것이다.

이 기술은 1차원 막대, 2차원 삼각형·사각형, 3차원의 중실체(사면체·6면체 등) 등으로 만드는 것인데, 복잡하고 다양한 시설 및 제품을 모델링하기에는 많은 시간과 노력이 필요하다.

이 복잡하고 다양한 시설을 3D로 손쉽게 표현할 수 있는 것이 바로 3D 스캐너 기술이다.

이 기술은 플랜트 같이 복잡 다양한 가스시설을 3D스캐너를 통해 여러 번 다른 각도와 모습에서 촬영하고, 컴퓨터 프로그램을 활용해 시설현장을 시각적으로 표현할  수 있다. 또한 이를 통해 파괴된 가스폭발사고 현장의 모습을 재구성해 CFD로 활용 가능하도록 모델링을 할 수 있다. 여기에 해석프로그램의 수치적 연산과 솔버를 접목할 수 있다면 사고 내면에 숨겨져 있는 역학 관점에서의 정확한 사고 매커니즘을 분석해 어떤 환경과정을 거쳐 사고가 발생했는지 파악이 가능하다.

이에 가스안전공사에서는 올해 말까지 3D스캐너 장비 및 모델링 프로그램을 갖추고, 내년에는 3D스캐너 장비를 통해 사고현장을 재구성하고 모델링화 하는데 적극 활용할 계획이다. 이후 3D스캐너를 통해 모델링화 된 형상이 CFD와 접목될 수 있도록 S/W를 활용하고, CFD 시뮬레이션 해석 전문가를 육성할 방침이다.

이런 노력을 바탕으로 오는 2018년에는 사고현장 CFD활용 역학적 관점에서의 사고원인분석에 대한 논문을 발표하고, 국내·외에 저널을 실어 세계적 수준의 사고조사 기법을 검증받고, 가스누출 확산·화재·폭발 및 파열에 대해 사고조사 가이드를 제정해 배포할 계획이다.

CFD를 활용한 가스사고 조사 기술이 발전되면, 사고 발생에 영향을 끼친 원인들에 대한 과학적이고 체계적인 접근이 가능해지고, 리스크 분석도 정밀해 질 수 있다. 또한, 여러 변수에 따른 분석 결과를 가상의 공간에서 얼마든지 확인할 수 있어, 이에 따른 시간과 노력 및 기회비용도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 그동안 도출되지 않았던 새로운 문제를 분석 과정에서 찾아냄으로써 잠재적 위험을 해결해 사고 예방에도 기여할 것으로 기대된다.

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