수치지형도를 이용한 CFD 전처리 자동화 프로그램
전산유체역학(CFD)을 이용하여 풍환경이나 오염물 확산을 분석하기 위해, 수치지형도를 이용하여 형상과 격자를 생성하는 전처리 프로그램입니다.
모두 오픈소스 소프트웨어를 이용합니다.
전처리 과정은 지형 및 건물 정보를 불러오고, 3차원 형상을 만들고, 격자를 구성하는 단계로 구성됩니다.
- 형상 정보 : 국토지리정보원에서 API 형식으로 제공하는 수치지형도는 지리 정보 시스템(GIS)의 표준 형식을 따릅니다. 오픈소스 QGIS 프로그램용 Python 라이브러리인 OsGeo는 GIS 형식 데이터에서 기하 정보를 추출하고 처리하는 데 사용됩니다.
- 형상 생성 및 처리 : 형상에 대한 3차원 데이터를 불러오고, 형상 간의 boolean 연산을 수행하고, 형상을 격자 생성 프로그램으로 내보내는 기능이 포함됩니다.
- 격자 생성 : 격자는 오픈 소스 프로그램 OpenFOAM의 격자 생성 유틸리티인 snappyHexMesh를 사용하여 생성됩니다.
🔹 지형 형상 생성
수치지형도에서 3차원 표면 격자를 생성하기 위해 다음 단계를 수행합니다.
- 등고선 데이터 불러오기
- 국립지리정보원에서 제공하는 연속적인 디지털 지형도를 사용합니다.
- F10000.shp 파일을 읽어 정보를 얻습니다.
- OsGeo를 사용하여 Python 객체로 변환합니다.
- 정보 포인트 추출
- 수치지형도에서 다중 라인 문자열 형태로 저장된 등고선 점의 위치 및 높이 값을 추출합니다.
- 선형 보간을 이용한 높이 계산
- 추출된 점을 사용하여 전체 지형을 나타내는 새로운 점을 정의합니다.
- 새로운 점은 사용자가 임의로 설정한 간격으로 x, y 방향으로 정렬된 격자 형태로 생성됩니다.
- 새로 생성된 격자점의 높이 값은 주변 윤곽점으로부터 2차원 선형 보간을 통해 계산됩니다.
- 높이 보정
- 가장 낮은 고도의 z좌표가 0이 되도록 이동합니다.
- 지형의 끝이 경계에 도달하기 전에 z 값이 점차 감소하도록 지형을 이동합니다.
- 표면 격자 만들기
- vtk 라이브러리(STL 또는 OBJ 형식)를 사용하여 점들을 표면 격자로 변환합니다.
- 추가 보정 : 미래에 예정된 디지털 지형도나 토목 공사에 반영되지 않은 최신 변경 사항을 포함합니다.
 Contour lines and grid point examples using QGIS |  examples of surface shapes User environment of a shape generation program using digital topographic maps |
🔹건물 형상 만들기
수치지형도에서 건물의 평면 데이터를 가져와서 3D 형상을 만들고, 건물의 메타데이터를 사용하여 건물 정보를 확인합니다. 다음 단계를 거쳐 진행됩니다.
- 건물 평면도 가져오기 – 연속 디지털 지형도의 B0010000.shp 파일에서 건물 정보를 Python 객체로 변환합니다.
- 건물 층 정보를 추출합니다.
- 건물의 평면도를 나타내는 표면 데이터를 추출합니다.
- 각 지점의 좌표를 추출합니다.
- OpenCaseCade 라이브러리를 사용하여 점, 선, 표면을 만듭니다.
- 표면을 특정 높이까지 끌어 당겨 3차원 모양을 만듭니다.
Case study of shape generation – near the Dongtan Tunnel on the Gyeongbu Expressway, 4×4 km
Check building information using building metadata
🔹추가 구조물 생성
디지털 지형도에는 포함되지 않지만 모델링에 필요한 탱크나 대형 파이프와 같은 대형 구조물 모델과 오염 물질 누출원의 기하학적 모델을 추가할 수 있습니다.
구, 원통, 정육면체, 파이프 등의 모델을 생성할 수 있습니다.
Example of creating additional structures
🔹격자 생성
전체 계산 영역은 오픈 소스 프로그램 OpenFOAM의 blockMesh 유틸리티를 사용하여 육면체 격자로 구성됩니다.
SnappyHexMesh(OpenFOAM의 격자 생성 유틸리티)를 사용하여 지형과 구조물을 포함한 3차원 격자를 최소한의 사용자 입력으로 자동 생성합니다.
Example of creating a 3D mesh