[국내논문]전산유체역학해석을 통한 고속도로 주행차량 유도풍의 풍력발전 적용 가능성에 관한 연구 Computational Fluid Dynamic(CFD) Analysis-based Feasibility Study on Wind Power Generation due to Traveling Vehicles on Highway원문보기
본 연구에서는 고속도로 주행차량에 의해 인공적으로 발생하는 유도풍 해석을 CFD(Computation Fluid Dynamics)를 활용하여 수행하였다. 차량의 주행은 단독주행과 양방향으로 교행하는 경우에 대하여 해석을 하였으며, 차량의 공기역학적 특성보다는 중앙분리대 상부에 형성되는 유도풍에 집중하여 해석을 수행하였다. 주행차량의 유도풍 해석 결과 주행속도 50km/h인 경우 유도풍의 크기는 최대 2.2m/s, 90km/h는 4.0m/s, 120km/h는 5.3m/s인 것으로 검토되었으며, 차량주행속도 120km/h(33.3m/s)에 비해 약 2.0m 이격된 중앙분리대 상부 1.0m에서는 5.3m/s로 약 84%의 약화된 유도풍이 작용하였다. 차량의 유도풍은 차량이 통과하는 아주 짧은 시간만 유지되었다. 본 연구에서 주행차량의 유도풍 크기 분석을 통해 소형풍력기를 이용한 풍력발전이 가능할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 고속도로 주행차량에 의해 인공적으로 발생하는 유도풍 해석을 CFD(Computation Fluid Dynamics)를 활용하여 수행하였다. 차량의 주행은 단독주행과 양방향으로 교행하는 경우에 대하여 해석을 하였으며, 차량의 공기역학적 특성보다는 중앙분리대 상부에 형성되는 유도풍에 집중하여 해석을 수행하였다. 주행차량의 유도풍 해석 결과 주행속도 50km/h인 경우 유도풍의 크기는 최대 2.2m/s, 90km/h는 4.0m/s, 120km/h는 5.3m/s인 것으로 검토되었으며, 차량주행속도 120km/h(33.3m/s)에 비해 약 2.0m 이격된 중앙분리대 상부 1.0m에서는 5.3m/s로 약 84%의 약화된 유도풍이 작용하였다. 차량의 유도풍은 차량이 통과하는 아주 짧은 시간만 유지되었다. 본 연구에서 주행차량의 유도풍 크기 분석을 통해 소형풍력기를 이용한 풍력발전이 가능할 것으로 판단되었다.
In this study, analytical works for the induced winds due to traveling vehicles on highway have been conducted by Computation Fluid Dynamics (CFD). The traveling condition was considered in two cases: (a) single direction and (b) bi-direction. The analysis was focused on the effects of the induced w...
In this study, analytical works for the induced winds due to traveling vehicles on highway have been conducted by Computation Fluid Dynamics (CFD). The traveling condition was considered in two cases: (a) single direction and (b) bi-direction. The analysis was focused on the effects of the induced winds on the upper part of a median strip while the aerodynamic characteristics of the vehicles were directly analyzed in the previous studies. From the analysis results, it has been found that the maximum magnitude of the induced winds was 2.2 m/s when the vehicles travel with the speed of 50 km/h. Additionally, 4.0 m/s and 5.3 m/s were obtained with the speed of 90 km/h and 120 km/h, respectively. Especially, the induced winds was generated about 84% of the vehicle speed at 1.0 m above from the median strip when the vehicles travel with the speed of 120 km/h. The induced winds was maintained during the very short period while the traveling. conclusively, it is noted that the wind power generation can be possible by using the small-sized wind power generators installed on median strips throughout the analytical results in this study.
In this study, analytical works for the induced winds due to traveling vehicles on highway have been conducted by Computation Fluid Dynamics (CFD). The traveling condition was considered in two cases: (a) single direction and (b) bi-direction. The analysis was focused on the effects of the induced winds on the upper part of a median strip while the aerodynamic characteristics of the vehicles were directly analyzed in the previous studies. From the analysis results, it has been found that the maximum magnitude of the induced winds was 2.2 m/s when the vehicles travel with the speed of 50 km/h. Additionally, 4.0 m/s and 5.3 m/s were obtained with the speed of 90 km/h and 120 km/h, respectively. Especially, the induced winds was generated about 84% of the vehicle speed at 1.0 m above from the median strip when the vehicles travel with the speed of 120 km/h. The induced winds was maintained during the very short period while the traveling. conclusively, it is noted that the wind power generation can be possible by using the small-sized wind power generators installed on median strips throughout the analytical results in this study.
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문제 정의
(6) 본 연구에서는 주행차량에 의해 발생되는 유도풍의 크기를 알아보는데 목적이 있다. 추후 연구에서는 소형풍력기를 선정하고 유도풍을 이용한 전력생산량을 검토할 것이다.
본 논문은 주행차량의 유도풍을 이용한 친환경적인 소형풍력 발전 시스템을 설계 및 구현을 위한 선행연구 내용이다. 이러한 연구를 통해 유도풍의 크기 및 방향을 도출하여 시스템 설계 및 구현에 반영한다면 소형풍력 발전 시스템이 보다 합리적이고 경제적인 형태로 제작될 것으로 사료된다.
본 연구는 고속으로 주행하는 대형 차량에 의한 유도풍의 발생 경향과 크기를 전산유체해석으로 검토하였다. 차량의 주행은 일방향 주행과 양방향으로 교행하는 경우에 대하여 해석하였으며, 차량의 공기역학적 특성보다 중앙분리대 상부에 형성되는 유도풍에 집중하여 해석을 수행하였다.
가설 설정
(가) 주행 차량의 제원은 버스(10.59m×2.49×3.25m) 이며, 고속도로는 평지이고 직선이다.
(나) 도로는 1개 차선, 버스는 1대만을 고려하였으며, 일방향 주행과 교행시를 가정하였다.
(다) 버스의 주행속도는 50km/h(13.89m/s), 90km/h(25.0m/s), 120km/h(33.33m/s)로 가정하였다.
(라) 중앙분리대의 높이는 1.27m이며, 버스와 이격거리는 중앙분리대 중심축에서 2.0m로 가정하였다.
일반적으로 도로에서 주행은 차량이 연속적인 주행 형태를 가지고 있지만 본 연구에서는 단일 차량의 주행만을 고려하였다. 다음의 Figure 7~9에 일방향 주행시 차량의 주변에 형성되는 유도풍의 유속벡터를 나타내었다.
제안 방법
이렇듯 주행차량에 대한 대부분의 연구는 차량 유도풍의 영향범위보다는 차량의 형상설계 및 주행안전성에 초점이 맞춰져 있어 주로 차량의 인접한 유동장만을 고려하였다(Kim 등, 2008). 본 연구에서는 중앙분리대에 설치되는 풍력발전의 활용성을 검토하기 위해 주행중인 차량의 유도풍 해석을 Fluent 6.3.26 프로그램을 활용하여 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 수행하였다. Fluent 프로그램은 세계에서 가장 많이 사용하고 있는 상용 전산유체역학(CFD) 해석 프로그램이다.
최근 도심이나 고속도로에서 인공적으로 발생되는 바람을 이용하여 풍력발전의 활용범위를 크게 넓히고자 하는 방법이 다양하게 연구되고 있다. 실례로 Figure 1(MetropolisMag.com)과 같이 도심도로나 고속도로의 중앙분리대에 수직축 풍력발전기를 설치하여 주행차량에 의해 인공적으로 발생하는 바람으로부터 전력을 생산하는 방안을 제안하였다. 또 다른 예로는 Figure 2와 같이 고속도로 상부에 교통표지판 형태로 풍력발전기를 설치하는 아이디어(Today.
양방향 주행시 차량 유도풍 검토는 교행 전, 교행 시, 교행 후로 구분하여 해석하였다. 일반적인 도로에서는 차량의 연속적인 주행이 주요 관점이지만 본 연구에서는 단일 차량의 양방향 주행만을 고려하였다.
다음의 Table 2～Table 4에 속도별 차량 유도풍 벡터를 나타내었다. 유도풍 벡터는 일방향 주행과 동일하게 중앙 분리대 상부 1.0m와 중앙분리대 중앙단면에서 검토하였다. 두 차량이 교행하기 직전에는 선두부 중앙에서 두 차량의 유도풍이 서로 상쇄되어 중앙분리대 상부에서 유도풍이 크게 감소하여 저속의 상승풍이 발생하였다.
본 연구는 고속으로 주행하는 대형 차량에 의한 유도풍의 발생 경향과 크기를 전산유체해석으로 검토하였다. 차량의 주행은 일방향 주행과 양방향으로 교행하는 경우에 대하여 해석하였으며, 차량의 공기역학적 특성보다 중앙분리대 상부에 형성되는 유도풍에 집중하여 해석을 수행하였다. 주행 중 차량의 유도풍 분석을 통해 수직축 소형풍력기를 이용한 전력생산의 가능성을 보았다.
대상 데이터
(사) 격자모델은 육면체(Hexa) 격자를 적용하였으며, 총 격자는 일방향 주행의 경우 약 122만개, 교행시 약 130만개로 구성하였다. Figure 3, 4에 해석대상의 해석모델을 나타내었다.
이론/모형
(바) 해석 프로그램은 Fluent 6.3.26을 사용하였으며, 난류모델은 k-ε RNG 모델을 사용하였다.
(아) 주행 차량을 모사하기 위해 차량을 포함하는 일부 격자에 대해 Moving boundary를 생성하여 Fluent Layering 기법에 의한 Dynamic mesh를 적용시켰다.
따라서 본 연구에서도 RNG k-ε모델을 적용하였다.
본 연구에서 사용된 RNG k-ε모델은 높은 레이놀주수 영역 이외에서도 유효점성계수의 예측을 μeff를 식 (11)을 사용하여 구함으로써 가능하게 하였다.
차량 주행으로 인한 유도풍을 해석하기 위해서는 유체 흐름에 관한 지배방정식인 Navier-Stokes 방정식으로 표현해야 한다. 질량 보존 법칙으로부터 수학적 방정식인 연속방정식을 얻고, 운동량 보존 법칙으로부터 운동량 방정식(Momentum equation)을 얻는다. 이의 질량 보존식과 모멘텀 보존식은 다음과 같다(Fluent 6.
차량 주행으로 인한 유도풍을 해석하기 위해서는 유체 흐름에 관한 지배방정식인 Navier-Stokes 방정식으로 표현해야 한다. 질량 보존 법칙으로부터 수학적 방정식인 연속방정식을 얻고, 운동량 보존 법칙으로부터 운동량 방정식(Momentum equation)을 얻는다.
해석 프로그램은 보편적으로 사용되는 범용 CFD 프로그램인 Fluent 6.3.26을 적용하였으며, 차량의 주행을 모사하기 위해 Moving Mesh(Layering)을 적용하였다. 주행중인 차량 유도풍 해석조건은 다음과 같다.
성능/효과
(1) 주행속도 50km/h인 경우 유도풍 크기는 최대 2.2m/s, 90km/h 는 4.0m/s, 120km/h는 5.3m/s인 것으로 검토되었으며, 차량에서 2.0m 이격된 중앙분리대 상부 1.0m에서는 120km/h의 고속 주행시 약 84%의 약화된 유도풍이 작용하였다.
(2) 차량 유도풍의 크기는 차량이 통과하는 시간정도의 아주 짧은 시간만 유지되며 차량이 통과한 이후에는 급격하게 감소하여 유도풍 유지 시간이 극히 짧은 것으로 나타났으며, 차량 통과에 따라 유도풍의 방향이 급격하게 변하는 것으로 검토되었다. 또한 유도풍은 차량을 중심으로 외곽 방향으로 상승풍을 형성하는 것으로 나타났다.
(3) 중앙분리대에서 상부 높이에 따른 유도풍의 크기는 차량 높이의 1/2 지점이 가장 크며, 그 이상의 높이에서는 유도풍이 급격하게 감소하여 1.0m 이후에는 점진적으로 감소하였다.
(4) 양방향 주행으로 인한 교행시에는 각 차량에서 생성되는 유도풍으로 인해 선두부는 풍속이 상쇄되어 다소 감소된 유도풍이 발생하였으며, 수직방향으로 저속의 풍속이 형성되었다. 특히 교행시에는 측면부에서 유속이 급격하게 감소하였고, 선두부는 단독 주행에 비해 약 1.
Figure 13의 (a) 교행전 유도풍 성분에서 양방향 차량의 주행으로 인해 측면(z방향 성분)으로 밀려나가는 유도풍이 상쇄되어 측면으로 빠져나가는 상승풍이 발생하지 않았다. 또한 (b)의 교행시에는 차량 선두부의 풍속이 최대 6.
59m)이라 가정했을 때, x/L로 무차원하였다. Figure 9의 (a)를 보면, 주행속도가 증가할수록 중앙분리대 상부의 유도풍은 상승하였다. 주행속도 50km/h 인 경우 유도풍 크기는 최대 2.
Figure 13의 (a) 교행전 유도풍 성분에서 양방향 차량의 주행으로 인해 측면(z방향 성분)으로 밀려나가는 유도풍이 상쇄되어 측면으로 빠져나가는 상승풍이 발생하지 않았다. 또한 (b)의 교행시에는 차량 선두부의 풍속이 최대 6.5m/s로 일방향 주행(최대 약 5.3m/s) 시보다 약 1.2m/s 상승하는 것으로 나타났으며, 측면에서는 유도풍의 재순환이 강하게 발행하여 유도 의 크기가 다소 감소하였다. (c)의 교행 이후에는 일방향 주행과 유사하게 급격하게 유도풍이 감소하였다.
2m/s의 풍속이 상승하였다. 또한 서로 상반되는 주행방향으로 인해 유도풍이 방향이 급격하게 변하는 양상을 보였다.
차량의 주행은 일방향 주행과 양방향으로 교행하는 경우에 대하여 해석하였으며, 차량의 공기역학적 특성보다 중앙분리대 상부에 형성되는 유도풍에 집중하여 해석을 수행하였다. 주행 중 차량의 유도풍 분석을 통해 수직축 소형풍력기를 이용한 전력생산의 가능성을 보았다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
그림을 보면, 차량이 진행함에 따라 측면방향으로 퍼져나가는 유도풍이 형성되는 것을 알 수 있다. 차량 후미부에서는 짧은 구간에서 다시 차량 방향으로 재순환되는 것을 알 수 있으며, 각 속도성분중 측면방향 속도성분이 중앙분리대 상부의 유도풍에 가장 크게 기여하는 것으로 검토되었다. Figure 7, 8, 9을 종합적으로 검토한 결과, 차량 주행으로 인해 생성된 유도풍은 차량 진행방향으로 중앙분리대 상부에서 측면으로 경사진 상승풍을 유발하였으며, 측면은 반대방향으로 상승풍을 형성되었다.
후속연구
(5) 따라서 중앙분리대 상부에 풍력발전기 설치를 고려할 경우, 급격한 유도풍 방향 변화에 적용할 수 있고, 진행방향 속도성분 뿐만 아니라 상승풍도 회전에 활용할 수 있는 발전 형태를 고려해야 할 것으로 판단된다. 또한 5.
본 논문은 주행차량의 유도풍을 이용한 친환경적인 소형풍력 발전 시스템을 설계 및 구현을 위한 선행연구 내용이다. 이러한 연구를 통해 유도풍의 크기 및 방향을 도출하여 시스템 설계 및 구현에 반영한다면 소형풍력 발전 시스템이 보다 합리적이고 경제적인 형태로 제작될 것으로 사료된다.
(6) 본 연구에서는 주행차량에 의해 발생되는 유도풍의 크기를 알아보는데 목적이 있다. 추후 연구에서는 소형풍력기를 선정하고 유도풍을 이용한 전력생산량을 검토할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Fluent 프로그램의 특징은?
전산유체역학 해석에 필요한 전처리, 계산, 후처리의 모든 작업을 할 수 있는 패키지 프로그램의 이름인 동시에 계산 프로그램의 이름이기도 하다. Fluent 프로그램은 여러 가지 다양한 물리적 모델을 갖고 있어 항공우주, 자동차, 조선, 건설, 화공, 금속, 전기전자 등의 산업분야 뿐 아니라 스포츠, 레저, 의학 분야에까지 광범위하게 사용되고 있다.
Fluent 프로그램이란 무엇인가?
26 프로그램을 활용하여 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 수행하였다. Fluent 프로그램은 세계에서 가장 많이 사용하고 있는 상용 전산유체역학(CFD) 해석 프로그램이다. 전산유체역학 해석에 필요한 전처리, 계산, 후처리의 모든 작업을 할 수 있는 패키지 프로그램의 이름인 동시에 계산 프로그램의 이름이기도 하다.
중앙분리대 상부에 풍력발전기 설치를 할 경우, 진행방향 속도성분 및 상승풍도 회전을 고려해야 하는 이유는?
(1) 주행속도 50km/h인 경우 유도풍 크기는 최대 2.2m/s, 90km/h 는 4.0m/s, 120km/h는 5.3m/s인 것으로 검토되었으며, 차량에서 2.0m 이격된 중앙분리대 상부 1.0m에서는 120km/h의 고속 주행시 약 84%의 약화된 유도풍이 작용하였다.
(2) 차량 유도풍의 크기는 차량이 통과하는 시간정도의 아주 짧은 시간만 유지되며 차량이 통과한 이후에는 급격하게 감소하여 유도풍 유지 시간이 극히 짧은 것으로 나타났으며, 차량 통과에 따라 유도풍의 방향이 급격하게 변하는 것으로 검토되었다. 또한 유도풍은 차량을 중심으로 외곽 방향으로 상승풍을 형성하는 것으로 나타났다.
(3) 중앙분리대에서 상부 높이에 따른 유도풍의 크기는 차량 높이의 1/2 지점이 가장 크며, 그 이상의 높이에서는 유도풍이 급격하게 감소하여 1.0m 이후에는 점진적으로 감소하였다.
(4) 양방향 주행으로 인한 교행시에는 각 차량에서 생성되는 유도풍으로 인해 선두부는 풍속이 상쇄되어 다소 감소된 유도풍이 발생하였으며, 수직방향으로 저속의 풍속이 형성되었다. 특히 교행시에는 측면부에서 유속이 급격하게 감소하였고, 선두부는 단독 주행에 비해 약 1.2m/s의 풍속이 상승하였다. 또한 서로 상반되는 주행방향으로 인해 유도풍이 방향이 급격하게 변하는 양상을 보였다.
참고문헌 (10)
Barlow, J.B., Guterres, R., Ranzenbach, R. (1999), "Rectangular Bodies With Radiused Edges in Ground Effect", AIAA Paper No.99-3153.
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Fluent 6.3.26 User's manual (2006).
Hucho, W.H., Janssen, L.J., Emmelmann, H.J. (1976), "The Optimization of Body Details-A Method for Reducing the aerodynamic Drag of Road Vehicles", SAE paper No.760185.
Kim, M.H., Kuk, J.Y., Chyun, I.B. (2003), "A Numerical Investigation on Wake Flow Characteristics and Rear-Spoiler Effect of a Large-Sized Bus Body", KSAE, Vol. 11, No. 2, pp. 126-133.
Kim, H.G, Woo, S.W, Jang, M.S, Shin, H.K. (2008) Computational Flow Analysis on Applicability of Vehicle-Induced Wind to Highway to Wind Power Generation, Journal of The Korean Society For New And Renewable Energy, The Korean Society For New And Renewable Energy, Vol. 4, No. 4, pp. 30-36 (in Korean).
MetropolisMag.com, "Mark Oberholzer exploers the urban highway's potential for wind power", http://www.metropolismag.com
Ryu, J.W., Cho., S.K., Yang, J.M., Choi, H.C., Yoo, J.Y., Lee, J.S. (1996), "Effect of Underbody Shape of Road Vehicles on Drag and Lift", SAE No.96370012.
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