[논문]차량 유도풍 풍력발전 활용 가능성의 전산유동해석

김현구; 우상우; 장문석; 신형기

차량 유도풍 풍력발전 활용 가능성의 전산유동해석
Computational Flow Analysis on Applicability of Vehicle-Induced Wind to Highway to Wind Power Generation 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.4 no.4, 2008년, pp.30 - 36

김현구 (한국에너지기술연구원 풍력발전연구단) , 우상우 (한국에너지기술연구원 풍력발전연구단) , 장문석 (한국에너지기술연구원 풍력발전연구단) , 신형기 (한국에너지기술연구원 풍력발전연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

The possibility of whether the induced wind from a vehicle traveling on highway can be used in wind power generation has been verified through computational flow analysis. The bus which is presumed to accompany relatively strong and wide range of induced wind compared to passenger vehicles because of its wide frontal area has been set as the subject of research. In order to ensure the reliability of research, the flow analysis surrounding the bus on a flat road where median strip is not installed has been compared with a preceding research while the validity of grid system and interpretation method used in this research have been assured by a qualitative method. In case of the median strip type wind power generator system, because it has been verified that a strong streamwise wind speed (5 m/s) is derived from the contraction effect of flow passage between the bus and the median strip while maintaining a relatively consistent upwind wind speed (1.4 m/s) in vertical direction in the wake area after the bus passes by although the change of wind speed is intense, it was decided as having some possibility of wind power generation. In case of the traffic sign panel type wind power generator system installed at the upper top of highway, because the wind speed of 2 m/s level has been derived for a limited time only at a section equal to the length of the bus and a faint induced wind speed less than 0.5 m/s was shown at other regions, it was decided as having almost no possibility of wind power generation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 풍력발전의 다양한 활용차원으로 제시된 ｢고속도로 중앙분리대형 풍력발전기(Fig. 1)｣와 ｢교통표지판형 풍력발전기(Fig. 2)｣ 아이디어의 실현 가능성을 확인하기 위해 주행 중인 차량 유도풍의 풍향풍속 변동성과 영향범위를 파악하기 위하여 전산유동해석(CFA)을 수행하였다.
⁽¹¹⁾은 뭉뚝한 물체(bluff body) 주위유동에 대한 RANS 수치모의 시 격자계 의존성이 상대적으로 계산오차에 민감한 영향을 미치기 때문에 이에 대한 사전검토가 반드시 필요하다고 밝히고 있다. 이에 본 연구에서는 중앙분리대를 제외한 일반적이 주행 차량에 대한 전산유동해석을 실시하되 선행연구의 사례를 참조하여 격자계 의존성을 확인함으로써 해석방법 및 결과의 신뢰성도를 향상시키는 과정을 거쳤다.

가설 설정

(8) 자연풍의 풍속은 0m/s이다.
국내 고속도로 중앙분리대의 일반적인 높이는 0.8~1.3m 이지만 2001년 이후부터는 한국도로공사 지침에 따라 1.27m 높이로 신설되고 있어, 본 연구에서는 중앙분리대의 높이를 M=1.2m, 고속도로 중앙분리대와 버스의 간격은 중앙분리대와 차선의 여유폭을 고려하여 E=1.2m로 가정하였다.

제안 방법

(1) 중앙분리대의 존재로 인한 버스 주위 유동특성의 변화, 특히 후류에서의 종방향 쌍둥이 와류의 변화를 전산유동 해석을 통해 확인하였다.
고속도로에서 주행하는 버스에 의한 인공적 유도풍의 풍력 자원 활용 가능성을 전산유동해석으로 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
유동박리가 발생하는 위치와 재순환영역에 크기는 버스형상 육면체 꼭지점 모따기의 곡률인 R의 크기와 레이놀즈 수 (Reynolds number)에 의해 결정되기 때문에 비교대상으로 삼기 어렵다. 그러므로 일반적인 뭉뚝한 물체주위 유동에 나타는 특성인 물체측면의 익단와류(trailing vortex)와 후류의 종방향 와류(longitudinal vortex)가 전산유동해석에서 정상적으로 생성되는지를 확인하였다. Figs.
최근 도심 및 고속도로에서 주행하는 차량에 의해 발생되는 바람, 즉 차량 유도풍을 이용하여 풍력발전의 활용범위를 확대하고자 하는 아이디어가 다수 제시되고 있다. 실례로 Mark Overholzer⁽¹⁾는 Fig. 1과 같이 도심도로나 고속도로 중앙분리대에 수직축 풍력발전기를 매설하여 상･하행선 교행차량에 의한 유도풍으로 전력을 생산하는 방안을 제안하였다. 또 다른 예로는 Fig.
이에 본 연구에서는 초도 연구적 관점에서 차량주변에 가장 큰 유도풍을 일으킬 것으로 예측되는 버스를 연구대상으로 하였다. 실제 주행상황을 모사하기 위해서는 상･하행선 차량 및 전･후방에서 주행하는 차량에 대한 영향까지 고려해야 하지만, 본 연구에서는 1개 차선 버스 1대만을 고려하여 해석을 수행하였다.
접근풍속의 풍속분포는 균일하게(uniform) U∞=27.8m/s로 설정하였고, 난류강도는 선행연구를 참고하여 0.3%로 설정하였다.
점성 유동장의 지배방정식은 레이놀즈-평균 나비에-스톡스(RANS;Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 난류 유동장의 해석을 위해 RNG k-ε 난류모델을 사용하였다. 최근 들어 컴퓨터 성능의 발달로 수 천만 개에 이르는 격자를 사용할 수 있게 되었고, 와류진동(vortex shedding) 과 같은 비정상적(unsteady) 특징을 나타내는 흐름과 외부유동에 대한 신뢰도가 높은 LES(Large Eddy Simulation)를 이용하여 해석한 사례^(9,10)들이 많기는 하지만 LES는 대단한 계산용량과 저장용량을 요구하는 비정상 유동장 해석이므로 RANS에 의한 유동장 해석을 수행하였다. 표준 k-ε 모델은 모델자체가 단순하고, 예측성능이 우수하여 복잡한 3차원 형상 등의 유동해석에도 광범위하게 적용되어 수용할 만한 결과를 얻고 있다.

대상 데이터

또한 버스는 승용차보다 길고 측면 면적이 넓기 때문에 중앙분리대와 버스 사이는 협착유로가 형성됨에 따라 급격한 풍속 증가가 예측된다. 이에 본 연구에서는 초도 연구적 관점에서 차량주변에 가장 큰 유도풍을 일으킬 것으로 예측되는 버스를 연구대상으로 하였다. 실제 주행상황을 모사하기 위해서는 상･하행선 차량 및 전･후방에서 주행하는 차량에 대한 영향까지 고려해야 하지만, 본 연구에서는 1개 차선 버스 1대만을 고려하여 해석을 수행하였다.
좌표의 x=0은 버스의 전면, z=0은 지면, y=0은 버스를 정면에서 봤을 때의 원점이다. 해석에 사용된 격자는 약 500만개이고, 버스 주변에는 사면체 격자(tetrahedral mesh)를 조밀하게 구성하였고 그 외 영역은 육면체 격자(hexahedral mesh)로 구성하였다.

이론/모형

(11) 이에 본 연구에서는 박리 유동장의 정확한 예측(7,11,12)을 기대 하기 위해 RNG k-ε 난류모델을 사용하였다.
점성 유동장의 지배방정식은 레이놀즈-평균 나비에-스톡스(RANS;Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 난류 유동장의 해석을 위해 RNG k-ε 난류모델을 사용하였다.

성능/효과

(2) 중앙분리대형 풍력발전기의 경우, 버스의 전단부에서 5m/s 정도의 강한 풍속이 발생하나 지속시간이 1초 이내로 매우 짧은 반면, 버스가 지나간 이후 잔류하는 후류에 의해 유도되는 상승풍은 비록 풍속은 1.4m/s 정도로 낮지만 상당 시간동안 지속됨을 확인하였다. 따라서 중앙분리대형 풍력발전기 설계 시 후류영향을 충분히 고려하여 Ux 뿐만이 아니라 Uz 성분까지 풍력발전기 회전에 활용할 수 있도록 고안되어야 할 것으로 판단된다.
(3) 고속도로는 완전 평지이고, 직선이다.
버스 전단면의 상류부에서는 버스의 돌진에 의해 버스 진행방향으로 밀려 올라가는 바람이 유도되지만 버스와 중앙분리대 사이구간에서는 협착된 유로에 의해 버스의 진행방향과 반대로 강한 측풍이 유도된다. 다시 버스 후단부를 지나며 버스 진행방향으로의 상승풍이 1.4m/s로 비교적 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. Fig.
5에서는 후류에서 전형 적인 종방향 쌍둥이 와류(twin vortex)가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 정성적인 비교를 통하여 격자계 품질과 해석방법이 타당함을 확인하였다. 주행하는 버스에 대한보다 상세한 전산유동해석 연구사례는 참고문헌^(7,9,11)을 참조하기 바란다.

후속연구

하지만 그 외 구간의 유도풍은 매우 미약하며 자연풍과 상쇄될 경우를 고려하면 풍력발전에 이용하기에는 실용성이 거의 없을 것으로 판단된다. 더욱이 주행차량의 절반을 차지하는 소형승용차 및 저속차량 등을 고려한다면 실제적 활용 가능성은 희박하다고 보아야 할 것이다.
4m/s 정도로 낮지만 상당 시간동안 지속됨을 확인하였다. 따라서 중앙분리대형 풍력발전기 설계 시 후류영향을 충분히 고려하여 Ux 뿐만이 아니라 Uz 성분까지 풍력발전기 회전에 활용할 수 있도록 고안되어야 할 것으로 판단된다. 풍향은 버스 전･후단 부근에서 변화가 매우 심하게 나타나므로 이러한 풍황조건에서의 내구성을 고려한 풍력발전기 선정이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표준 k-ε 모델의 장점은 무엇인가?	최근 들어 컴퓨터 성능의 발달로 수 천만 개에 이르는 격자를 사용할 수 있게 되었고, 와류진동(vortex shedding) 과 같은 비정상적(unsteady) 특징을 나타내는 흐름과 외부유동에 대한 신뢰도가 높은 LES(Large Eddy Simulation)를 이용하여 해석한 사례(9,10)들이 많기는 하지만 LES는 대단한 계산용량과 저장용량을 요구하는 비정상 유동장 해석이므로 RANS에 의한 유동장 해석을 수행하였다. 표준 k-ε 모델은 모델자체가 단순하고, 예측성능이 우수하여 복잡한 3차원 형상 등의 유동해석에도 광범위하게 적용되어 수용할 만한 결과를 얻고 있다. 하지만 국부적인 평형, 강한 압력구배, 유선의 곡률 효과, 회전류 등과 같은 유동에서는 정확한 예측을 기대하기 어렵다.
	난류 유동장의 해석을 위해 어떤 모델을 사용하였는가?	점성 유동장의 지배방정식은 레이놀즈-평균 나비에-스톡스(RANS;Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 난류 유동장의 해석을 위해 RNG k-ε 난류모델을 사용하였다. 최근 들어 컴퓨터 성능의 발달로 수 천만 개에 이르는 격자를 사용할 수 있게 되었고, 와류진동(vortex shedding) 과 같은 비정상적(unsteady) 특징을 나타내는 흐름과 외부유동에 대한 신뢰도가 높은 LES(Large Eddy Simulation)를 이용하여 해석한 사례(9,10)들이 많기는 하지만 LES는 대단한 계산용량과 저장용량을 요구하는 비정상 유동장 해석이므로 RANS에 의한 유동장 해석을 수행하였다.
	주행 중인 차량에 의한 유도풍의 전산유동해석을 위해 어떤 가정을 적용하였는가?	(1) 주행 차량은 버스(12m×2.5m×3m)이다. (2) 중앙분리대의 높이는 1.2m이다. (3) 고속도로는 완전 평지이고, 직선이다. (4) 고속도로의 1차선 1개 구간만 고려한다. (5) 버스 1대만 고려한다. (6) 중앙분리대와 버스간 이격거리는 1.2m이다. (7) 버스는 100km/h(27.8m/s)로 주행한다. (8) 자연풍의 풍속은 0m/s이다. (9) 타이어 등 부착물의 영향은 무시한다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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