한국과학기술정보연구원(이하 KISTI)과 서울대학교 기계공학부 최해천 교수 연구팀은 1940년에 발생한 ‘타코마 다리(Tacoma Narrows Bridge) 붕괴사고’의 전 과정을 세계 최초로 슈퍼컴퓨터로 재현했다고 밝혔다.
타코마 다리 붕괴사고는 교량의 공탄성적 특성(공기역학적 영향으로 구조물이 변형되는 현상)으로 인해 발생한 대형 사고로 많은 유체역학 교과서에서 소개되고 있는 사례이나, 아직까지 붕괴 과정이 명확하게 밝혀지지는 않았다.
KISTI-서울대 공동연구팀이 수행한 이번 시뮬레이션은 슈퍼컴퓨터를 이용해 사고 당시 실제와 가장 유사한 조건을 만들어 바람에 의한 다리의 진동과 붕괴 메커니즘을 분석해 타코마 다리 붕괴사고 전 과정을 재현하고자 한 것으로, KISTI 슈퍼컴퓨터 누리온에서 최대 160,000개*의 CPU 코어를 3개월간 사용했다.
* 160,000개 CPU(중앙처리장치) 코어는 약 7.7페타플롭스(1초당 7,700조번의 연산처리속도) 정도의 고성능 연산이 가능한 수준으로 KISTI 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온에서 약 30%를 차지하는 규모임.
다리는 정지 상태에서 바람의 영향에 의해 상하 진동, 비틀림 진동의 순서로 움직이며 붕괴에 이른 것으로 알려져 있다. 연구팀은 슈퍼컴퓨팅을 통해 바람이 다리에 가하는 공기역학적 힘에 의해 다리에 비틀림이 발생하고, 시간이 지남에 따라 공기역학적 힘과 다리의 비틀림이 서로를 증폭시킨 것을 확인했다.
이번 시뮬레이션에서의 유동은 난류(亂流) 영역에 속한다. 난류란 무질서하고 불규칙한 공기나 물의 흐름을 말하며 일반적으로 속도가 빠를 때 발생한다. 타코마 다리 전 영역을 난류로 모사하기 위해서는 130억 개 이상의 격자가 필요하다. 이를 재현하는 시뮬레이션은 초고성능컴퓨터 즉, 슈퍼컴퓨터가 없이는 불가능하다.
이번 연구에서 서울대는 KISTI와 공동으로 SW를 개발하여 KISTI 슈퍼컴퓨터 5호기를 통해 타코마 다리 붕괴 과정을 모사했다.
최해천 서울대 교수는 “슈퍼컴퓨터가 발전해 과거에는 파악하지 못했던 중요한 유동현상들을 이해할 수 있게 됐다”라고 언급했다.
정민중 KISTI 슈퍼컴퓨팅응용센터장은 “슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션으로 역사적인 사고 사건인 타코마 다리 붕괴 과정을 재현했다”며 “5호기 대비 23배 높은 성능일 6호기가 도입되면 초거대 시뮬레이션으로 기존에 풀지 못한 난제를 해결할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
해당 연구는 유체역학 분야 최고 권위를 가진 학술지인 'Journal of Fluid Mechanics(유체역학 저널)'에 2022년 9월 23일자로 게재됐다.
