[논문]도로 발생 분진의 방음벽 충돌 CFD 분석

이재엽; 김일호

doi:10.7855/ijhe.2017.19.6.031

도로 발생 분진의 방음벽 충돌 CFD 분석
Collision CFD Analysis of Noise Barrier of Road-Generated Particulate 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.6 = no.86, 2017년, pp.31 - 36

이재엽 (한국건설기술연구원 환경.플랜트연구소) , 김일호 (한국건설기술연구원 환경.플랜트연구소.과학기술연합대학원대학교 건설환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : The computational fluid dynamics of flow and fine particles in a road were set to determine the insert flow and occurrence characteristics. METHODS : The road extension was 100 m with two lanes. A one-ton truck traveled a 50-m distance. After a noise barrier was installed on one side of the road, the flow and a collision analysis were tested. RESULTS : The flow that occurred was 5 m/s beside the vehicle, and fine particulate was $5.0{\times}10^2{\mu}g/m^3$ after 20 m from the exhaust vent. CONCLUSIONS : After a collision analysis of the fine particulate on the noise barrier to find the most suitable position of the filter panel in height, the bottom 1 m was the most optimum position because 88.1% of the distribution was concentrated there.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 주행 차량에 의한 도로 2차선의 기류 및 비산먼지 발생을 전산유동해석(CFD)로 모사하였다. 기류는 발생 분진이 필터로 유입하기 위한 충분한 풍속이 나오는지 보기 위해서이며, 비산먼지는 필터를 어느 높이에 설치했을 때 주행에 의해 발생하는 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는지 확인하였다. 본 연구의 내용은 다음과 같다.
본 연구에서는 미세먼지의 주요 발생원으로 꼽히는 도로에서 차량 주행에 의한 미세먼지 발생과 기류에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 물리적으로 발생하는 현상을 모사하는데 그치지 않고 방음벽 등의 도로 시설물에 분진 흡착용 필터패널을 적용했을 때 제거 가능 여부와 최적 위치 등을 고려하는 것으로, 환경 공해를 자연현상을 최대한 활용하여 저감하고자 하는 시도로부터 긍정적인 결과가 확인되었다.
본 연구에서는 주행 차량에 의한 도로 2차선의 기류 및 비산먼지 발생을 전산유동해석(CFD)로 모사하였다. 기류는 발생 분진이 필터로 유입하기 위한 충분한 풍속이 나오는지 보기 위해서이며, 비산먼지는 필터를 어느 높이에 설치했을 때 주행에 의해 발생하는 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는지 확인하였다.
실내와는 달리 야외에서는 기류를 파악하고 모으는 작업이 필요하다. 본 연구진은 도로 발생 미세먼지을 저감하고자 방음벽에 물분사 시스템, 무동력 필터패널 등을 개발하여 성능을 평가하였다(Lee et. al., 2016; Lee et. al., 2017).

제안 방법

- 기류 및 먼지 발생을 통해 도로 한편에 필터 패널 설치를 고려했을 때 필터에 유입할 수 있는 압력 발생 여부와 먼지 발생 분포로 설치 타당성 및 효과 등을 검토하였다.
본 시뮬레이션에서는 100km의 주행속도를 적용하였다.
본 연구에서 사용한 CFD 프로그램은 SCRYU/Tetra(ver. 11.0, Cradle Co. Ltd., Japan)으로 정밀한 mesh 형상 모사에 의해 열₩유체 확산 및 고속 연산 기능을 수행한다. 소프트웨어를 통해 적용한 기류 형성 모델은 기본 k-ε와류 모델을 개선한 RNG k-ε와류 점성 모델을 사용하였다.
주행 차량 배출 및 비산에 의한 미세먼지를 저감하기 위해 기류 및 미세먼지 CFD를 구축하고 특성을 분석하였다. 이는 유입 기류와 발생 먼지를 파악하기 위함이다.
- 도로 조건과 차량을 CFD로 모사하여 차량 주행에 의한 기류와 분진 발생을 모사하였다. 즉, 주행 차량에 의해 발생하는 기류와 도로 먼지의 분포를 살펴보았다.
, 2015). 즉, 필연적으로 발생하는 기류를 에너지 자원으로 활용하고자 기류 발생 정도를 정밀하게 모사하였다.
차량 주행에 의한 도로의 기류 및 발생 미세먼지를 파악하기 위해 전산 유동 시뮬레이션을 구축하여 해당 특성을 분석하였다. 해석 결과 주요 결론은 다음과 같다.
한편에 방음벽을 설치하고 기류와 충돌 분석을 수행하였다. 특히 가장 농도가 집중되는 범위를 통해 필터 패널의 최적 위치를 탐색하였다.
도로는 2차선에 100m 연장이고, 1톤 화물차가 50m 간격으로 운행되었다. 한편에 방음벽을 설치하고 기류와 충돌 분석을 수행하였다. 특히 가장 농도가 집중되는 범위를 통해 필터 패널의 최적 위치를 탐색하였다.

이론/모형

). 본 시뮬레이션에는 Unsteady State Simulation(transient analysis, time step 0.0005s)의 조건으로 수행하였다.
소프트웨어를 통해 적용한 기류 형성 모델은 기본 k-ε와류 모델을 개선한 RNG k-ε와류 점성 모델을 사용하였다.
차량에서 배출되는 미세먼지의 배출량 산정은 국립환경과학원에서 제안한 배출량 산정 방법을 통해 구하였다. 즉, 주행속도 V(km/h)에 대해 발생하는 미세먼지의 배출량은 km 당 다음과 같다(NIER, 2005).

성능/효과

1. 차량에 의해 발생하는 기류는 최대 30m/s이며, 방음벽 설치 구역까지는 4.2m/s가 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 기류를 이용한 필터패널 적용이 충분히 가능한 미세먼지가 유입될 수 있는 범위이다.
2. 주행 차량의 배기와 도로 재비산을 고려하였을 때 PM10은 차량 바로 후면의 경우 4.0×103μg/m3에서20m 후방까지 5.0×102μg/m3의 농도로 발생하였다.
3. 방음벽에 충돌되는 미세먼지의 분포를 보았을 때 0.5m까지의 76.4%이며 1.0m까지는 88.1%로 1.0m 이하에서 대부분의 미세먼지가 발생하는 것으로 확인되었다. 따라서, 분진 흡착 필터패널을 고려할 때 낮은 고에서 설치하는 것이 효과적으로 판단된다.
기류에 의한 미세먼지의 방음벽 충돌 분석을 통해 필터 패널의 가장 적합한 위치는 하단 1m인 것으로 나타났다.
6과 같다. 높이 0.5m에서 가장 많은 농도가 집적되었고, 높이가 올라갈수록 낮은 먼지농도를 보였다. 0.
높이별로는 0.3~1.0m에서 최고 4.0×103μg/m3로 나타나며, 높이가 높아짐에 따라 발생 농도는 낮아지며 2.8m에서 5.0×102μg/m3의 농도가 나타나는 것으로 확인되었다(Fig. 3, Table 2).
본 연구에서는 미세먼지의 주요 발생원으로 꼽히는 도로에서 차량 주행에 의한 미세먼지 발생과 기류에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 물리적으로 발생하는 현상을 모사하는데 그치지 않고 방음벽 등의 도로 시설물에 분진 흡착용 필터패널을 적용했을 때 제거 가능 여부와 최적 위치 등을 고려하는 것으로, 환경 공해를 자연현상을 최대한 활용하여 저감하고자 하는 시도로부터 긍정적인 결과가 확인되었다. 이후 현장에서의 설치 및 모니터링 등을 통해 실제 적용 가능 및 개선 사항을 검토하여, 도로환경뿐 아니라 국토 대기환경 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

물리적으로 발생하는 현상을 모사하는데 그치지 않고 방음벽 등의 도로 시설물에 분진 흡착용 필터패널을 적용했을 때 제거 가능 여부와 최적 위치 등을 고려하는 것으로, 환경 공해를 자연현상을 최대한 활용하여 저감하고자 하는 시도로부터 긍정적인 결과가 확인되었다. 이후 현장에서의 설치 및 모니터링 등을 통해 실제 적용 가능 및 개선 사항을 검토하여, 도로환경뿐 아니라 국토 대기환경 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지금까지 도로 내 주행차량 기류 해석의 목적은 무엇이었는가?	이전까지 도로 내 주행차량 기류 해석은 차량의 저항이나 소음을 줄이기 위한 네거티브 관점에서 진행되었다. 하지만 Jeon 등은 도로 주행에 의해 발생하는 기류를 통해 풍력발전을 일으킬 수 있는지 여부를 판단하고자 전산유동해석을 도입하였다(Jeon et.
	도로 내 미세먼지 발생량 순위는 어떠한가?	도로 내 미세먼지는 재비산과 운행 차량의 배기에 의한 응축가스, 타이어·브레이크 마모 등에 의해 발생한다. 발생량은 도로재비산에 의한 배출량(35,314톤), 도로이동오염원(9,170톤), 타이어·브레이크·도로표면 마모(4,923톤) 순이며(ME, 2012), 이에 대한 대책으로 정부에서는 도로 물청소 차량 운행을 확대하고, 노후 경유차를 폐차하도록 권고하고 있다(Korean Government, 2017). 도로 미세먼지 저감 정책 외에 도로 내 시설물을 활용한 처리방법을 고려할 수 있다(Ahn, et al.
	CFD 프로그램으로 무엇을 할 수 있는가?	Ltd., Japan)으로 정밀한 mesh 형상 모사에 의해 열₩유체 확산 및 고속 연산 기능을 수행한다. 소프트웨어를 통해 적용한 기류 형성 모델은 기본 k-ε와류 모델을 개선한 RNG k-ε와류 점성 모델을 사용하였다.

참고문헌 (16)

Ahn, H., Kim, I., Park J., Lee, J. H. and Kim, G. S. (2012). "Analysis of Research Trend and Development Direction on Domestic and International Noise Barriers", J. Kor. Soc. Environ. Eng., Vol. 34, No. 12, pp.847-854.

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Lee, J. and Kim, I. (2016). "Effects on Road Airpollutants Reduction by Operating Factors of Water Jet System", Journal of the Korean Society of Urban Environment, Vol. 16, No. 3, pp.305-311.
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Ministry of Environment(ME) (2012). Dust Scattering Emission Amount and Risk Investment by Abrasion of Tire and Brake Pad (in Korean).
Ministry of Environment(ME) (2016). Fine particle, what it that on earth? (in Korean).
National Institute of Environmental Research(NIER) (2005). Handbook for Computation Method of Air-polluant Emission from Mobile Source (in Korean).
National Institute of Environmental Research(NIER) (2009). Health Effect of Exposure to Asian Dust and Ultrafine particle(II) (in Korean).
Yakhot, V., Orszag, S. A., Thangam, S., Gatski, T. B. and Speziale, C. G. (1992). "Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique", Physics of Fluids A, Vol. 4, No. 7, pp.1510-1520.

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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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