1. 서 론

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.com)가 제안되기도 하였다. 주행차량에 대한 선행연구들을 보면 차량의 형상에 따른 유동장 해석을 통해 주행차량의 공기역학적 항력(drag)을 줄이기 위한 연구가 대부분이며(Hucho 등, 1976; Cooper, 1985), 차량표면에서 발생하는 공력소음과 불순물 부착방지를 위한 인위적 유동박리(flow separation)에 대한 연구(Hucho 등, 1976; Barlow 등, 1999), 주행차량의 양력(lift) 저감을 위한 스포일러(spoiler), 차량 바닥면 형상 등에 관한 연구(Ryu 등, 1996; Choi 등, 1996; Kim 등, 2003)가 수행되었다. 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. 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.

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.

2. Computational Fluid Dynamic(CFD) 해석 개요

2.1 고속도로 주행차량 해석조건

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.

(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. Figure 3, 4에 해석대상 개략도를 나타내었다.

(마)자연풍은 0.0m/s이며, 버스 외부의 부착물(타이어 등)은 고려하지 않았다.

(바)해석 프로그램은 Fluent 6.3.26을 사용하였으며, 난류모델은 k-ε RNG 모델을 사용하였다.

(사)격자모델은 육면체(Hexa) 격자를 적용하였으며, 총 격자는 일방향 주행의 경우 약 122만개, 교행시 약 130만개로 구성하였다. Figure 3, 4에 해석대상의 해석모델을 나타내었다.

(아)주행 차량을 모사하기 위해 차량을 포함하는 일부 격자에 대해 Moving boundary를 생성하여 Fluent Layering 기법에 의한 Dynamic mesh를 적용시켰다.

2.2 주행차량 흐름에 대한 CFD 수치해석 방법

2.2.1 지배방정식

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 6.3.26 User's manual).

$$\bullet\mathrm{질량}\;\mathrm{보존식}\;:\;\frac{\partial\rho}{\partial t}+\frac\partial{\partial x_i}(\rho u_i)=0$$

(1)

$$\bullet\mathrm{모멘}텀\;\mathrm{보존식}\;:\frac\partial{\partial t}(\rho u_i)+\frac\partial{\partial x_j}(\rho u_iu_j)=-\frac{\partial P}{\partial x_i}+\frac\partial{\partial x_j}\left[\mu\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)\right]$$

(2)

여기서 $\rho$는 공기밀도, $x_i$는 3차원 직교좌표계, $u_i$는 $i$방향의 속도 성분, $P$는 압력, 그리고 $\mu$는 공기 점성계수를 나타낸다. 식 (2)에서 첫 번째 항은 시간에 대한 운동량의 변화를 나타내고, 이는 분석 대상 공간인 제어체적 내에서의 운동량 증가를 의미한다. 두 번째 항은 대류항(Convection term)으로, 제어체적의 각 방향에 수직으로 유출되는 운동량을 나타내고, 세 번째 항은 제어체적에 작용하는 압력을 나타낸다. 마지막 항은 표면력으로써 제어체적에 작용하는 점성력을 나타내고, 이는 제어체적의 표면에서 분자의 불규칙한 분자운동으로 인한 운동량 즉, 확산(diffusion)을 의미한다. 난류의 시간적으로 변동하는 속도 $u_i$를 시간평균속도 ${\overline{u}}_i$와 변동성분속도 $u_i$의 합으로 나타내면 식 (3)과 같다.

$$u_i={\overline u}_i+u_i$$

(3)

Navier-Stokes 방정식을 시간에 대해 적분하면 시간 평균된 방정식을 얻을 수 있다. 난류의 시간적으로 변동하는 속도 $U_i$를 식 (3)에서 보는 것과 같이 시간평균속도 ${\overline{u}}_i$와 변동성분 $u_i$의 합으로 나타낼 수 있는데, 이를 식 (1)과 (2)에 대입하면 시간평균속도 ${\overline{u}}_i$와 변동성분속도 $u_i$ 항으로 나누어 나타내어진다. 식 (1), (2)에 식 (3)을 대입한 후 시간에 대해 적분하면 다음과 같은 시간 평균된 Navier-Stokes 방정식을 얻을 수 있다(평균속도인 ${\overline{u}}_i$는 $u_i$로 대체).

$$\frac{\partial\rho}{\partial t}+\frac\partial{\partial x_i}(\rho u_i)=0$$

(4)

$$\frac\partial{\partial t}(\rho u_i)+\frac\partial{\partial x_j}(\rho u_iu_j)=-\frac{\partial P}{\partial x_i}+\frac\partial{\partial x_j}\left[\mu\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)-\rho\overline{u_iu_j}\right]$$

(5)

이 때, 식 (1), (2)와 식 (4), (5)를 비교해보면 새로운 항 $-\rho \overline{u_i{u}_j}$이 생성된 것을 볼 수 있다. 이를 레이놀즈 응력(Reynolds stress)이라 부르며 물리적으로는 난류에 의해 발생되는 응력을 의미한다. 부시네스크 와점성 가설(Boussinesq eddy viscosity hypothesis)에 의하여 레이놀즈 응력과 난류점성계수와의 관계는 다음의 식 (6), (7)과 같이 나타낼 수 있고, 식 (6), (7)에서 $k$는 난류운동에너지(tubulence kinetic energy)이고, $ϵ$은 난류소산율(tubulence dissipation rate)이다. 여기서, $\rho$는 공기밀도, ${\delta }_{ij}$는 크로네커 델타(Kronecker delta), $C_{\mu }$는 계수이다(Fluent 6.3.26 User's manual).

$$-\rho\overline{u_iu_j}=\mu_t\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)-\frac23\rho k\delta_{ij}$$

(6)

$$\mu_t=\frac{C_\mu\rho k^2}\epsilon $$

(7)

2.2.2 난류모델

새롭게 생성된 레이놀즈 응력항( $-\rho \overline{u_i{u}_j}$)을 풀기 위해서는 난류모델을 도입하여야 한다. 일반적으로 사용되는 난류모델은 k-ε 난류모델로, 1974년 Launder와 Spalding이 제안한 모델이다. 표준 k-ε 모델의 예측성능을 향상시키기 위해 고안된 수정 k-ε 모델 중 RNG k-ε 모델은 난류에너지 소산율 방정식의 이론적 유도과정을 통하여 표준 k-ε 모델보다 월등한 결과를 보여주고 있어 널리 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서도 RNG k-ε모델을 적용하였다. RNG k-ε모델은 Standard k-ε모델과 유사한 형태를 가지고 있다. 난류 운동에너지 k와 소산율 ε은 다음의 RNG k-ε모델의 수송방정식을 통해 구할 수 있다.

$$\frac\partial{\partial t}(\rho k)+\frac\partial{\partial x_i}(\rho ku_i)=\frac\partial{\partial x_j}(\alpha_k\mu_{eff}\frac{\partial k}{\partial x_j})+\mu_tS^2-\rho\epsilon$$

(8)

$$\frac\partial{\partial t}(\rho\epsilon )+\frac\partial{\partial x_i}(\rho\epsilon u_i)=\frac\partial{\partial x_j}\left(\alpha_\epsilon \mu_{eff}\frac{\partial\>epsilon }{\partial x_j}\right)+C_{1\epsilon }\frac\epsilon k\mu_tS^2-C_{2\epsilon }\frac{\epsilon ^2}k-R$$

(9)

$C_{1ϵ}$, $C_{2ϵ}$은 상수이며, ${\alpha }_k$와 ${\alpha }_{ϵ}$은 난류운동에너지와 소산율에 대한 프란틀의 역수이다. RNG 모델은 난류 모델링에 적용할 때의 기본 개념은 작은 크기의 와류(eddy)들을 소거하는 것이다. 이러한 소거과정을 통하여 RNG 이론은 레이놀즈수에 대한 유효 점성계수의 변화율을 이끌어 낸다. 그 식은 다음과 같다.

$$\frac{du}{dl}=\frac{A\epsilon l^3}{\mu(l)^2}$$

(10)

여기서, $A$는 RNG 이론으로부터 파생된 상수이다. 위 식 (10)을 eddy length sacle, $l$에 대해 적분하면 다음과 같이 구해진다. 여기서, $l=l_d$( $l_d$는 Kolmogorov dissipation rate, $L/R{e}^{3/4}$) 일 때, $\mu ={\mu }_{mol}$이다.

$$\mu(l)=\mu_{mol}{\left[1+\frac{3A_\epsilon}{4\mu_{mol}^3}(l^4-l_d^4)\right]^\frac13\;\;\;\;\;\;\;\;\;(l\geq l_d})$$

(11)

높은 레이놀즈수의 구간에서 위 식 (11)은 다음과 같이 표현될 수 있다.

$$\mu\approx\mu_t=\lbrack0.094L^2\rbrack\vert\nabla\overline u\vert$$

(12)

여기서, ${\mu }_t$는 난류점성계수( ${\mu }_{eff}-{\mu }_{mol}$)이다. 이 결과가 Prandl's classical mixing length 이론과 유사하다는 것은 주목할 만하다. 크기가 $L$보다 작은 관성영역(inertial range)의 와류들의 전 운동에너지가 $k=0.71{ϵ}^{2/3}{L}^{2/3}$임을 주목하면 식 (12)는 다음과 같이 된다.

$$\mu_t=\rho C_\mu\frac{k^2}\epsilon,\;C_\mu=0.0845$$

(13)

본 연구에서 사용된 RNG k-ε모델은 높은 레이놀주수 영역 이외에서도 유효점성계수의 예측을 ${\mu }_{eff}$를 식 (11)을 사용하여 구함으로써 가능하게 하였다. 그 결과는 ${\mu }_{eff}$와 $k/\sqrt{ϵ}$에 관한 미적분 관계로 표현되며 이 식을 이용해 유효점성계수의 계산이 수행된다.

$$\mu_{eff}=\mu_{mol}\left[1+\sqrt{\frac{C_\mu}{\mu_{mol}}\frac k{\sqrt\epsilon}}\right]^2$$

(14)

${\alpha }_k$와 ${\sigma }_{ϵ}$는 각각 k와 ε에 대한 프란틀 수의 역수로서 다음과 같은 식에 의해 계산되어진다.

$$\left|\frac{\alpha-1.3929}{\alpha_0-1.3929}\right|^{0.6321}\left|\frac{\alpha+2.3929}{\alpha_0+2.3929}\right|^{0.3679}=\frac{\mu_{mol}}{\mu_{eff}}$$

(15)

여기서, ${\alpha }_0$=1.0 이며 높은 레이놀즈수 범위( ${\mu }_{mol}/{\mu }_{eff}\ll 1$)에서는 ${\alpha }_k={\alpha }_{ϵ}\approx$1.393이 된다.

$S$는 평균변형율텐서 $S_{ij}$의 계수로 다음과 같이 정의된다.

$$S\equiv\sqrt{2S_{ij}S_{ij}}$$

(16)

평균 변형율텐서 $S_{ij}$는 다음과 같다.

$$S_{ij}=\frac12\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_i}+\frac{\partial u_j}{\partial x_j}\right)$$

(17)

그리고, $R$은 다음과 같이 주어진다.

$$R=\frac{C_\mu\rho\eta^3(1-\eta/\eta_0)}{1+\beta\eta^3}\frac{\epsilon^2}k$$

(18)

여기서, $\eta \equiv Sk/ϵ$, ${\eta }_0\approx$4.38m $\beta =$0.012이다. 식 (9)에서 $C_{1ϵ}$과 $C_{2ϵ}$은 다음과 같다(Fluent 6.3.26 User's manual).

$$C_{1\epsilon}=1.42,\;C_{2\epsilon}=1.68$$

(19)

2.2.3 Dynamic mesh

차량이 움직일 때, 차량을 포함하는 외부 유동장의 해석영역도 움직이게 된다. 이러한 격자체계는 각 시간간격마다 갱신되어야 한다. 해석 프로그램인 Fluent에서 dynamic mesh 해석방법은 smoothing method, dynamic layering과 local remeshing method가 있다. Smoothing method는 격자의 고유성을 보존할 수 있으며, 해석동안 추가적인 변수의 삽입이 필요치 않고 격자의 품질을 보증할 수 있다. 하지만 smoothing method는 큰 변형을 동반하는 현상에는 적합하지 않다. Remeshing method는 항상 smoothing method와 함께 사용되지만 더 많은 계산 시간과 격자수를 필요로 하고 높은 격자 왜곡도를 유발할 수 있다. 종종 remeshing method는 (-) 체적을 유발할 수 경우가 발생하면 수치적인 발산이 발생하기도 한다. Layering method는 본 연구의 수치모델과 같은 정렬 격자계에 적합하며, 육면체 격자체계나 사면체 격자체계에 적합하다. 위의 그림 1, 2에서 보듯이 수치모델에서 차량을 포함하는 일정한 부분을 선택하여 차량의 주행을 모사하는 영역으로 적용하였다. 선택된 영역은 moving boundary를 따라서 일정한 속도로 움직이게 되며 격자의 변형은 발생하지 않는다.

3. 풍력발전을 위한 유도풍 해석결과

3.1 일방향 주행시

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. 차량은 (+x) 방향으로 주행하고 있으며, 단면벡터는 중앙분리대 중심, 평면벡터는 중앙분리대 상부 1.0m(중앙분리대 높이 1.27m 포함하여 지상에서 2.27m)에서 나타내었다. 차량 주행에 따른 유도풍은 차량의 전면부는 주행으로 인해 진행방향으로 상승하는 기류가 형성되었으며, 측면부는 진행방향과 반대되는 강한 측풍이 유도되고, 측면부에서 재순환 영역이 발생하였다. 차량의 후미부는 다시 진행방향과 동일한 방향의 유도풍이 형성되었으며, 측면풍이 후미쪽으로 재순환되는 현상이 나타났다. 이러한 현상은 차량의 주행속도에 관계없이 동일하게 발생하였다. 중앙분리대 상부에서 유도풍 크기와 속도성분을 검토하기 위해 Figure 9은 중앙분리대 상부 1.0m(지상 2.27m)에서 각 속도 성분을 나타내었다. x축은 추량의 길이를 L(10.59m)이라 가정했을 때, x/L로 무차원하였다. Figure 9의 (a)를 보면, 주행속도가 증가 할수록 중앙분리대 상부의 유도풍은 상승하였다. 주행속도 50km/h인 경우 유도풍 크기는 최대 2.2m/s, 90km/h는 4.0m/s, 120km/h는 5.3m/s인 것으로 검토되었다. 차량주행속도 120km/h(33.33m/s) 비해 약 2.0m 이격된 중앙분리대 상부 1.0m에서는 5.3m/s로 약 84%의 약화된 유도풍이 작용하였다. 차량 유도풍의 크기는 차량이 통과하는 시간정도의 아주 짧은 시간만 유지되며 차량이 통과한 이후에는 급격하게 감소하였다. Figure 9의 (b)～(d)는 동일 위치에서 각 속도성분을 나타내었다. (b)를 보면 차량 선두부에서는 차량 주행으로 인해 진행방향으로 유도풍이 형성되었으며 측면을 따라서 급격하게 유동풍이 차량 반대방향으로 형성되었다. 차량 반대방향으로 형성된 유도풍은 차량 선두부에서 약 -1.3L 떨어진 위치에서 다시 차량진행방향으로 유도풍 방향이 변하였다. Figure 9의 (c)는 중앙분리대 상부 1.0m에서 수직방향 속도성분을 나타내었다. 수직속도 성분 대부분은 상승풍이 발생하는 것으로 검토되었지만, 차량 주행속도가 증가하면서 후미부의 짧은 구간(120km/h 주행시 약 0.5L)에서 일시적으로 저속의 하향풍이 발생하였다. 차량이 통과한 이후에는 저속의 상승풍이 발생하였다. (d)는 차량의 측면방향(z 방향)으로 발생하는 속도성분을 나타내었다. 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. 또한 후미는 유도풍 방향이 차량 진행방향으로 저풍속의 상승풍이 발생하였다.

다음의 Figure 10, 11, 12에 고속 주행시(주행속도 90km/h, 120km/h) 중앙분리대(차량에서 2.0m 이격)에서 수직방향 유도풍의 검토위치와 결과를 나타내었다. 수직방향 높이는 중앙분리대의 높이(h = 1.27m)를 원점(0.0m)으로 하여 표시하였다. Figure 11에서 차량 선두부에서 유도풍의 크기가 최대가 되는 것으로 나타났다. 특히 차량 높이의 1/2 지점(중앙분리대 약 0.5m 상부)에서 유도풍의 최대가 되며, 그 이상의 높이에서는 점차 감소하였다. 차량의 측면부에서는 유도풍이 크게 감소하였으며 후미에서 다시 상승하였다. Figure 12는 차량 선두부가 통과한 이후 시간에 따른 유도풍의 크기를 나타내었다. 차량 통과 후 0.5초까지는 유도풍이 관성에 의해 중앙분리대 상부 0.5m 지점에서 3.0m/s 정도의 풍속이 유지되었지만 그 이후에는 급격하게 감소하여 1.5초가 지나면 0.5m/s 이하로 거의 소멸하였다. 차량이 통과한 이후에는 유도풍의 급격한 감소로 인해 주행속도에 따른 유도풍의 차이가 크지 않았다.

Table 1. Indued wind of median strip’s top by driving velocity

Traveling velocity	50 km/h	90 km/h	120 km/h
Induced winds (Max.)	2.2 m/s	4.0 m/s	5.3 m/s

3.2 양방향 주행시

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 중앙분리대 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. 특히 일방향 차량 운행시에는 경사진 상승풍이 발달한 것과 달리 양방향 운행시에는 수직방향으로 유도풍이 형성되었다. 교행시에는 두 차량 사이에서 재순환되는 유도풍이 형성되었으며, 후미부는 양쪽 차량의 선두부에서 형성된 유도풍이 후미부로 재순환되는 형상을 볼 수 있었다. 차량이 완전히 교행한 이후에는 일방향 주행시와 동일하게 약한 하향풍이 발생하였다. 이러한 현상은 차량의 주행속도에 따라서 일정한 경향을 보이고 있다. 중앙분리대 상부의 유도풍 성분을 명확히 검토하기 위해 Figure 13에 중앙분리대 상부 1.0m에서 각 속도성분을 나타내었다. Table 2～Table 4을 통하여 차량 주행속도와 관계없이 일정한 경향을 보이는 것으로 검토되어 고속주행(주행속도 120km/h)만을 고려하여 결과로 나타내었다. 검토결과, 교행전과 교행시에는 일방향 주행시와 큰 차이가 발생하지 않았다. 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 유도픙의 크기가 다소 감소하였다. (c)의 교행 이후에는 일방향 주행과 유사하게 급격하게 유도풍이 감소하였다.

Table 2. Induced wind vector (50 km/h)

Top of median strip (1.0 m)
Before bi-direction	At the bi-direction	After bi-direction
Middle area of median strip
Before bi-direction	At the bi-direction	After bi-direction

Table 3. Induced wind vector (90 km/h)

Top of median strip (1.0 m)
Before bi-direction	At the bi-direction	After bi-direction
Middle area of median strip
Before bi-direction	At the bi-direction	After bi-direction

Table 4. Induced wind vector (120 km/h)

Top of median strip (1.0 m)
Before bi-direction	At the bi-direction	After bi-direction
Middle area of median strip
Before bi-direction	At the bi-direction	After bi-direction

4. 결 론

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. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)주행속도 50km/h인 경우 유도풍 크기는 최대 2.2m/s, 90km/h는 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.

(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 5.0m/s 이상의 풍속 지속시간(차량이 지나간 이후)이 매우 짧은 관계로 차량 통과 후 형성되는 저속의 풍속을 발전에 활용할 수 있는 형태의 발전을 고려해야 한다.

(6)본 연구에서는 주행차량에 의해 발생되는 유도풍의 크기를 알아보는데 목적이 있다. 추후 연구에서는 소형풍력기를 선정하고 유도풍을 이용한 전력생산량을 검토할 것이다.