05-성토(냄새).164625.pdf456.2KB

1. 서 론

 도시화에 따른 도로의 증설과 자동차 사용의 증대로 인한 도로에서 배출되는 대기오염에 의한 도로주변 거주자에 대한 피해는 날로 증가하고 있다. 자동차에서 배출되는 대기오염물(예로서 일산화탄소, 미세입자, 이산화질소, 악취 등)의 피해는 도로에서 300~500 m까지 인체영향과 관련되고 있으며, 이들 피해는 천식, 호흡기질환, 심장 질환, 그리고 대기오염으로 인한 사망등으로 나타나고 있다 (HEI, 2010). 따라서 자동차에 의한 대기오염물의 피해 파악을 위하여 도로주변에서 형성되는 대기오염물의 농도에 대한 연구는 긴요한 과제이다.

 도로 주변에서 발생하는 대기오염물의 이동과 확산을 파악하기 위하여 풍동, 수치모델, 그리고 현장 관측을 통한 많은 연구가 진행되어 왔다. Heist 등(2009)은 풍동 실험을 통하여 다양한 도로 형상 및 이들 도로에 방음벽이 설치된 12가지 경우에 대한 도로 주변 대기오염물의 농도 확산을 연구하였다. 그 결과 평탄지 도로에 비하여 성토도로 (평탄지 지면보다 높은 위치에 설치된 도로)인 경우 하류에서 지표부근 오염물 농도 감소가 가장 적게 일어나고 절토도로 (평탄지 지면보다 낮은 위치에 설치된 도로)에서 도로 양쪽에 방음벽을 설치하는 경우 지표부근 농도가 가장 많이 감소한다고 하였다. 도로 주변에서 오염물의 확산 예측에 사용되는 미국 환경청의 대표적인 모델은 CALINE4 모델이다. 그러나 Yura 등(2007)에 따르면 CALINE4 모델은 인구밀집지역에서 지형(건물, 도로 형상 등)의 영향을 충분히 고려할 수 없으므로 자동차에서 배출되는 PM2.5의 하류에서 농도 평가에 불리하다고 하였다. 이에 따라 최근 CFD (Computational Fluid Dynamics)모델을 이용한 도로 주변 오염물 농도 예측이 많이 수행되었다(Jeong, 2012a, 2012b).

 성토도로나 성토도로에 방음벽이 설치되는 경우 도로의 형상 변화와 방음벽 설치로 인한 유선의 변화가 심하므로, 방음벽 하류에서 와동(wake)과 회전(rotation)이 발생하고 이에 따라 유선의 변화가 발생한다. 그러나 CFD 소프트웨어 (예: FLUENT)에서 제공하는 표준 방법은 계산 영역 내에 복잡 지형이나 구조물이 있는 경우 형성되는 복잡한 유동을 정확하게 모의할 수 없다고 지적되고 있다(Vermeer et al., 2003; FLUENT, 2006; O’Sullivan et al., 2011).

 본 연구는 성토도로와 성토도로 주변에 방음벽이 설치되는 복잡지형를 대상으로 하므로 도로 형상과 도로주변 구조물의 영향이 충분히 고려될 수 있는 CFD 모델을 사용하여 도로 주변 농도를 계산하였다. 연구 결과로 성토도로 주변에서 도로 배출 오염물의 확산 계산에 적합한 난류 모델을 제시하였다. 다음으로 선택된 난류 모델을 사용하여 구한 성토도로 주변에 설치되는 방음벽 개수와 설치위치 변화에 따른 대기오염물의 확산범위를 제시하였다.

2. 연구 내용 및 방법

2. 1 기본 방정식

 난류유동을 나타내는 Reynolds 평균 연속방정식과 운동량 방정식은 식(1), (2)와 같이 쓸 수 있다(FLUENT, 2006).

 식(2)의 우변 마지막 항에서 나타난 Reynolds 응력 은 Boussinesq 가정을 사용하면 Reynolds 응력과 평균 유속 경사와의 관계를 식(3)과 같이 쓸 수 있다.

 Boussinesq 가정은 k-ε 모델과 k-ω 모델에 사용되며 이들 모델은 식 (3)에서 난류 점성계수 μt를 계산하는데 이용된다. 난류 점성계수 계산을 위하여 k-ε 모델은 난류운동에너지(turbulence kinetic energy, k)와 난류소산율 (turbulence dissipation rate, ε)을 사용하고 k-ω 모델은 난류운동 에너지와 비소산율식 (specific dissipation rate, ω)을 풀이하여 구한다. 본 연구에서는 이들 모델 중 복잡지형 모사에 적합한 RNG k-ε 모델, Realizable k-ε 모델, Shear-Stress Transport k-ω 모델을 사용하였다(FLUENT, 2006).

2. 2 계산영역 및 조건

 계산영역은 바람이 방음벽에 수직한 방향으로 불어오는 경우를 가정하였으므로 2차원으로 하고 풍동 실험 결과와 비교하기 위하여 대기조건은 중립으로 하였다. 계산영역은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 수평방향×수직방향=1300 m×500 m로 하였다. 성토도로의 높이는 6m로 하고 밑변이 36 m 윗변이 25 m인 사다리꼴로 하였다. 방음벽의 높이는 6 m, 두께는 0.5m로 하였으며 방음벽은 단일에서 삼중으로 설치하고 도로 오염원은 방음벽 사이에 이중으로 설치하고 계산결과를 비교하였다.

Fig. 1. Computational domain and barrier positions.

 Blocken 등 (2007)에 따르면 FLUENT에서 바닥 경계조건에서 조도높이 (roughness height) k_s와 조도계수(roughness constant) C_s의 관계는 아래 식(4)로 주어지며, 조도높이는 바닥부근 격자의 중간까지 높이보다 작아야 한다. 본 연구에서는 바닥 부근 격자 높이가 0.5m이므로 조도높이를 0.24m로 택하였다. 식(4)에서 조도 (z₀)를 0.336 m로 하는 경우 C_s는 13.71이 된다. 그러나 이 값을 이용한 계산은 수렴성이 좋지 않았다. 따라서 본 연구에서는 평탄지 도로에 대한 Jeong (2012a, 2012b)의 연구를 참고하여 C_s는 1.428을 사용하고 계산 결과를 비교하였다.

 유입구 유속은 식 (5)로 표시되는 대수 분포함수를 사용하였다. 식(5)에서 마찰속도 u_*=0.25 m/s, Karman 상수 κ=0.4를 사용하였다.

 Table 1에서는 본 연구에서 사용한 초기조건과 경계조건을 나타내었다. 상부경계조건은 대칭조건 (대칭면에서 수직방향 평균 풍속이 영이고 다른 변수의 기울기가 영인 조건)을 사용하였다. 유출경계는 압력 유출(pressure outlet), 바닥경계조건은 벽면 경계조건을 사용하였다. 방음벽 벽면경계에서는 평균유속, 난류운동에너지, 난류운동에너지소산을 모두 0으로 두었다.

Table 1. Initial and boundary conditions of this study

 Riddle 등 (2004)에 따르면 FLUENT에서 오염물의 수송방정식에서 확산항은 식(6)과 같다.

 여기서 C는 배출가스의 농도, D는 분자확산계수 그리고 μ_t는 난류점성계수 Sc_t는 난류 Schmidt 수이다. FLUENT에서 가스 농도는 가스의 분율로 표시된다. 본 연구는 대상 가스를 일산화탄소(CO)로 하고 농도는 질량 분율로 표시하였다. 오염물은 Heist 등 (2009)의 실험 결과와 유사하게 도로 바닥 부근에서 배출하였다. 배출 오염물의 질량 유량은 1.0×10^-2kg/s를 사용하고 배출속도는 오염물 배출로 인한 유동 변화를 최소화하기 위하여 1.0×10^-6m/s로 가정하였다.

 Table 2에서는 본 연구에서 수행한 성토도로 주변오염물 확산에 관한 8가지 계산 case를 나타내었다. 계산 case는 방음벽이 없거나 한 개 설치된 경우(case I), 방음벽이 두 개 설치된 경우 (case II) 그리고 방음벽 세 개 설치된 경우(case III)로 하였다.

Table 2. Barrier number and position of study cases

3. 연구 결과 및 고찰

3. 1 방음벽이 없는 경우 모의 결과 및 모델의 선정

 본 연구에서는 성토도로에서 적합한 모델을 선정하기 위하여 FLUENT 6.3에서 제시하는 복잡지형 모델로 수정된 Realizable k-ε 모델(이하 REA), RNG k-ε 모델 (이하 RNG), Shear-Stress Transport k-ω 모델 (이하 SST)을 사용하였다.

 Fig. 2에는 식(7)로 표시되는 지표부근 무차원 농도에 대한 3가지 모델로 계산 결과와 Heist 등(2009)의 풍동 실험 결과를 나타내었다.

Fig. 2. Dimensionless surface concentrations of the measured and the computed results.

 여기서 X는 무차원 농도 (normalized concentration), L_x는 선오염원의 x 방향길이 (m), L_y는 선오염원의 y방향 길이(m), Q는 배출강도(kg/s), u는 참조 높이에서 평균 풍속(m/s), 그리고 ρ는 가스의 밀도(kg/m³)이다.

 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 REA 모델이 지표부근 농도에 대한 풍동실험 결과를 가장 잘 모의하였으며 RNG와 SST 모델은 풍동실험 농도를 10% 정도 과대평가하였다.

 Fig. 3에는 무차원 하류 거리(x/H: 여기서 H=6 m) 5와 10에서 수직방향 농도 프로파일을 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 전체적으로 SST 모델이 RNG, REA 모델보다 과대 평가 되는 것으로 나타났으며, 전반적으로 REA 모델의 재현이 우수한 것으로 나타났다. 이상의 결과 (Fig. 2와 Fig. 3)를 참고로 다음 절에서는 지표부근 농도 재현이 우수한 REA 모델을 사용하여 방음벽이 있는 경우에 대한 계산결과를 제시하였다.

Fig. 3. Dimensionless concentration profiles of the measured and the computed results, (a) x/H=5, (b) x/H=10.

3. 2 성토도로 주변에서 방음벽 설치에 따른 도로 주변에서 농도 변화

 Fig. 4에서는 방음벽이 없는 경우와 단일 방음벽이 각각 도로 상류(windward), 중앙(center) 그리고 하류(leeward)에 설치된 경우 방음벽 주변 유선과 농도를 나타내었다. 단일 방음벽이 설치된 경우 전체적으로 대기오염물의 하류 방향 이동이 저지되고 고공 방향 이동이 증가하여 수평방향 영향 거리는 줄어들고 수직방향 영향 거리는 증가하였다. 오염원 하류에 단일 방음벽이 설치된 경우(Case I-l) 배출된 오염물이 하류 방향으로 가장 멀리 영향을 주는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 방음벽이 하류에 설치된 경우는 방음벽 상류에 설치된 경우 (Case I-w)보다 상대적으로 대기 오염물 이동을 더 잘 차단하기 못하기 때문으로 판단된다.

Fig. 4. Concentration contours and streamlines of one and no barrier cases.

 Fig. 5는 방음벽이 다중 (이중 및 삼중)으로 설치된 경우 도로 주변에서 오염물의 농도 분포와 유선의 변화를 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 이중 방음벽이 중앙과 상류에 설치된 경우(case II-wc) 오염물의 수평방향 영향범위가 가장 큰 것으로 나타났다. Fig. 5(d)는 삼중으로 방음벽이 설치된 경우 도로 주변에서 오염물의 이동을 나타내었다. 방음벽이 삼중으로 설치된 경우 오염물의 하류 방향 이동이 방음벽이 이중으로 설치된 경우와 유사한 것으로 나타났다.

Fig. 5. Concentration contours and streamlines of two and three barrier cases.

 Fig. 6은 방음벽 설치로 인한 대기 오염물의 수직 및 하류 방향 영향거리를 나타내었다. 단일 방음벽이 설치된 경우 수평방향 영향거리는 130m에서 150m였으며 이는 방음벽이 없는 경우(이 경우 수평방향 영향거리는 285 m, 수직방향 영향거리는 12 m임)에 비하여 0.46~0.54배 감소한 값이다. 단일 방음벽에서 수직방향 영향 거리는 21~23 m의 범위를 나타내고 있으며 이는 방음벽이 없는 경우에 비하여 1.75~1.92배 증가한 값이다. 이중 방음벽이 설치된 경우 수평방향 영향거리는 139~180 m였으며 이는 방음벽이 없는 경우에 비하여 0.49배~0.63배 감소한 값이다. 이중 방음벽에서 수직방향 영향 거리는 19.5m~21.5m의 범위를 나타내고 있으며 이는 방음벽이 없는 경우보다 1.63~1.79배 증가한 값이다. 방음벽이 삼중으로 설치된 경우 수평방향 영향거리는 175 m, 수직방향 영향거리는 21.5 m로 이중 방음벽이 설치된 경우와 유사한 결과가 나타났다.

Fig. 6. Vertical and horizontal impact distances for various barrier conditions.

 이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 성토도로 주변에서 방음벽이 설치되면 방음벽 주변에서 대기 오염의 농도가 증가하고 이들 농도는 도로 주변에 머물면서 장기적으로 농축될 것으로 판단된다.

4. 결 론

 높이가 6m이고 도로 높이에서 밑변이 36 m, 윗변이 25m인 사다리꼴 모양 성토도로 주변에서 대기오염물의 확산을 모의하고 방음벽 설치에 따른 오염물의 이동을 연구하였다. 오염물의 확산은 FLUENT에 있는 세가지 옵션, 즉 Realizable k-ε 모델, RNG k-ε 모델, Shear-Stress Transport k-ω 모델을 사용하여 모의하고 풍동실험 결과와 비교하여 적정 모델을 선정하였다. 선정된 모델을 이용하여 도로 높이에 설치한 높이 6m, 폭 0.5m인 방음벽 주변의 도로에서 배출된 오염물의 이동을 연구한 결과 다음의 결론을 얻었다.

 1) 성토도로 주변의 대기 오염물 이동은 FLUENT에서 선택한 세가지 옵션 중 Realizable k-ε 모델이 가장 잘 모의하는 것으로 나타났다.
 2) 방음벽이 없는 경우에 비하여 단일 방음벽이 설치된 경우 오염물의 이동은 수평방향으로 0.46~0.54배로 감소하고 수직방향으로 1.75~1.92배 증가하였다. 이 경우 방음벽이 하류에 설치된 경우 오염물의 하류 방향이동이 가장 큰 것으로 나타났다.
 3) 방음벽이 다중으로 설치된 경우 단일방음벽에 비하여 수평방향으로는 0.49~0.63배로 단일 방음벽보다 작게 감소하고 수직방향 영향 거리는 1.63~1.79 배로 단일 방음벽보다 작게 증대하였다. 이중으로 방음벽이 설치된 경우 방음벽을 상류와 도로 중앙에 설치하는 경우 하류 방향 영향 거리가 가장 큰 것으로 나타났다.

사 사

 본 연구는 2012학년도 경기대학교 학술연구비(일반연구과제) 지원에 의하여 수행되었음.