Записать в файл то, что процедура ввыводит на консоль

У механизмов отладочного вывода (Debug.WriteLine) и трассировки (Trace.WriteLine) есть стандартные способы перенаправления - Trace Listeners.

По умолчанию вывод Debug.WriteLine уходит вникуда, т.к. ни одного Trace Listener-а для него не задано. При отладке сам отладчик (студия) добавляет Trace Listener, который перенаправляет вывод в окно отладчика (Output), а вовсе не на консоль.

Так что вам не надо перенаправлять вывод на консоль в файл. Вам нужно просто добавить стандартный TextWriterTraceListener в Debug.Listeners и вы получите копию отладочного вывода в файле. Вот минимальный код:

using System.Diagnostics;
namespace ConsoleApp3
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // в инициализации тестов, один раз
            Debug.Listeners.Add(new TextWriterTraceListener("log.txt"));
            Debug.WriteLine("test");
            // после прогона тестов 
            // чтобы записать буфер на диск и не потерять хвост лога
            Debug.Flush();
        }
    }
}

При трассировке (использовании Trace.WriteLine) listener-ы можно задавать прямо в конфиге, это достаточно подробно расписано в howto в MSDN:

<configuration>  
  <system.diagnostics>  
    <trace autoflush="false" indentsize="4">  
      <listeners>  
        <add name="myListener" type="System.Diagnostics.TextWriterTraceListener" initializeData="TextWriterOutput.log" />  
        <remove name="Default" />  
      </listeners>  
    </trace>  
  </system.diagnostics>  
</configuration>  

Trace.TraceInformation("Test message.");  
// You must close or flush the trace to empty the output buffer.  
Trace.Flush();