고속 교통의 새로운 개념인 하이퍼루프 시스템은 차량이 아진공 터널 내를 약 마하수 1에 가까운 속도로 이동할 수 있는 시스템입니다. 하지만 튜브 내에 초고속 운행은 차량 주위에 높은 압력 구배가 발생하기 때문에 공기역학적 한계가 발생합니다. 이러한 공기역학적 한계 중 항력은 하이퍼루프 시스템 설계 시 가장 중요한 요인 중 하나입니다. ...
고속 교통의 새로운 개념인 하이퍼루프 시스템은 차량이 아진공 터널 내를 약 마하수 1에 가까운 속도로 이동할 수 있는 시스템입니다. 하지만 튜브 내에 초고속 운행은 차량 주위에 높은 압력 구배가 발생하기 때문에 공기역학적 한계가 발생합니다. 이러한 공기역학적 한계 중 항력은 하이퍼루프 시스템 설계 시 가장 중요한 요인 중 하나입니다. Blockage ratio (BR), 차량(Pod)의 속도 및 길이, 튜브의 압력 및 온도 등 다양한 요소가 공기역학적 항력에 영향을 미치지만 항력과 변수 간의 구체적인 관계는 아직 종합적으로 연구되지 않았습니다. 본 연구에서는 BR, 차량의 속도 및 길이, 튜브 압력 및 온도 변화에 따른 영향에 초점을 맞춘 하이퍼루프 시스템의 공력특성을 연구하였습니다. 분석하기 위한 조건으로는 BR (0.25, 0.36), pod 속도 (50 m/s~350 m/s≈1250 km/h), pod 길이 (10.75 m~86 m), 튜브의 압력 (100 Pa~1000 Pa), 튜브의 온도 (275 K~325 K)이며, 2차원 축 대칭 조건으로 시뮬레이션을 수행하였습니다. 항력은 BR, pod의 속도 및 길이, 튜브 압력이 증가함에 따라 함께 증가합니다. 항력은 critical Mach number 이후에 급격하게 증가하며, BR이 증가함에 따라 total 및 pressure drag에 상당한 영향을 미칩니다. 이는 BR이 증가함에 따라 critical Mach number가 감소하기 때문입니다. pod 길이가 증가하면 total 및 pressure drag는 크게 변화하지 않습니다. 그러나 friction drag에는 큰 영향을 미치게 됩니다. Pod 속도가 증가함에 따라 강한 Shock cell structure가 발생합니다. BR이 0.36일 경우 200 m/s일 때, BR이 0.25일 경우에는 225 m/s 일 때 pod의 후미부에서 shock wave가 발생합니다. 이 BR 두 경우에 대하여 pod 주위의 질식 유동이 발생되며 total drag와 pressure drag 비율은 점차 수렴하게 됩니다. 500 Pa 이상의 튜브 압력의 경우 pod 표면에서 난류 강도가 급격히 증가하여 friction drag이 저속에 구간에서도 크게 증가합니다. 튜브 온도가 상승할수록 음속이 증가하며 동일한 pod 속도에 대한 Mach number가 감소합니다. 이러한 현상으로 인하여 온도가 상승할수록 choked flow와 shock wave의 발생이 지연되고 drag이 감소합니다. 본 연구에서 분석한 결과는 하이퍼루프 시스템의 기본 설계 조건으로 적용될 수 있습니다.
고속 교통의 새로운 개념인 하이퍼루프 시스템은 차량이 아진공 터널 내를 약 마하수 1에 가까운 속도로 이동할 수 있는 시스템입니다. 하지만 튜브 내에 초고속 운행은 차량 주위에 높은 압력 구배가 발생하기 때문에 공기역학적 한계가 발생합니다. 이러한 공기역학적 한계 중 항력은 하이퍼루프 시스템 설계 시 가장 중요한 요인 중 하나입니다. Blockage ratio (BR), 차량(Pod)의 속도 및 길이, 튜브의 압력 및 온도 등 다양한 요소가 공기역학적 항력에 영향을 미치지만 항력과 변수 간의 구체적인 관계는 아직 종합적으로 연구되지 않았습니다. 본 연구에서는 BR, 차량의 속도 및 길이, 튜브 압력 및 온도 변화에 따른 영향에 초점을 맞춘 하이퍼루프 시스템의 공력특성을 연구하였습니다. 분석하기 위한 조건으로는 BR (0.25, 0.36), pod 속도 (50 m/s~350 m/s≈1250 km/h), pod 길이 (10.75 m~86 m), 튜브의 압력 (100 Pa~1000 Pa), 튜브의 온도 (275 K~325 K)이며, 2차원 축 대칭 조건으로 시뮬레이션을 수행하였습니다. 항력은 BR, pod의 속도 및 길이, 튜브 압력이 증가함에 따라 함께 증가합니다. 항력은 critical Mach number 이후에 급격하게 증가하며, BR이 증가함에 따라 total 및 pressure drag에 상당한 영향을 미칩니다. 이는 BR이 증가함에 따라 critical Mach number가 감소하기 때문입니다. pod 길이가 증가하면 total 및 pressure drag는 크게 변화하지 않습니다. 그러나 friction drag에는 큰 영향을 미치게 됩니다. Pod 속도가 증가함에 따라 강한 Shock cell structure가 발생합니다. BR이 0.36일 경우 200 m/s일 때, BR이 0.25일 경우에는 225 m/s 일 때 pod의 후미부에서 shock wave가 발생합니다. 이 BR 두 경우에 대하여 pod 주위의 질식 유동이 발생되며 total drag와 pressure drag 비율은 점차 수렴하게 됩니다. 500 Pa 이상의 튜브 압력의 경우 pod 표면에서 난류 강도가 급격히 증가하여 friction drag이 저속에 구간에서도 크게 증가합니다. 튜브 온도가 상승할수록 음속이 증가하며 동일한 pod 속도에 대한 Mach number가 감소합니다. 이러한 현상으로 인하여 온도가 상승할수록 choked flow와 shock wave의 발생이 지연되고 drag이 감소합니다. 본 연구에서 분석한 결과는 하이퍼루프 시스템의 기본 설계 조건으로 적용될 수 있습니다.
The Hyperloop system is a concept that allows a train to travel through a near-vacuum tunnel at transonic speeds. The presence of high-pressure gradients around the Hyperloop pods means that aerodynamic drag is one of the important factors in analyzing such systems. Factors such as the blockage rati...
The Hyperloop system is a concept that allows a train to travel through a near-vacuum tunnel at transonic speeds. The presence of high-pressure gradients around the Hyperloop pods means that aerodynamic drag is one of the important factors in analyzing such systems. Factors such as the blockage ratio (BR), pod speed/length, tube pressure, and temperature affect the aerodynamic drag, but the relationships between the drag and these parameters have not yet been comprehensively examined. In this study, we investigate the flow phenomena of a Hyperloop system, focusing on the effects of changes in the above parameters. Two-dimensional axisymmetric simulations are performed in a large parameter space covering various BR values (0.25, 0.36), pod speeds (50–350 m/s), pod lengths (10.75–86 m), tube pressures (100–1000 Pa), and tube temperatures (275–325 K). The drag increases as the BR, pod speed/length, and tube pressure increase, and increases beyond the critical Mach number. As BR increases, the overall drags are affected. This is because of the smaller critical Mach number for a larger blockage ratio. As the pod length increases, the total and pressure drags do not change, but there is a influence on the friction drag. The shock waves occur near the end of the pod at 200 m/s for BR = 0.36. At this point, the strong shock-cell structure at the end of the pod is caused by severe choking of the flow around the pod. At tube pressures above 500 Pa, the friction drag increases under the increased turbulence intensity near the pod surface. As tube temperatures increase, the onset of choking is delayed and the aerodynamic drag is reduced.
The Hyperloop system is a concept that allows a train to travel through a near-vacuum tunnel at transonic speeds. The presence of high-pressure gradients around the Hyperloop pods means that aerodynamic drag is one of the important factors in analyzing such systems. Factors such as the blockage ratio (BR), pod speed/length, tube pressure, and temperature affect the aerodynamic drag, but the relationships between the drag and these parameters have not yet been comprehensively examined. In this study, we investigate the flow phenomena of a Hyperloop system, focusing on the effects of changes in the above parameters. Two-dimensional axisymmetric simulations are performed in a large parameter space covering various BR values (0.25, 0.36), pod speeds (50–350 m/s), pod lengths (10.75–86 m), tube pressures (100–1000 Pa), and tube temperatures (275–325 K). The drag increases as the BR, pod speed/length, and tube pressure increase, and increases beyond the critical Mach number. As BR increases, the overall drags are affected. This is because of the smaller critical Mach number for a larger blockage ratio. As the pod length increases, the total and pressure drags do not change, but there is a influence on the friction drag. The shock waves occur near the end of the pod at 200 m/s for BR = 0.36. At this point, the strong shock-cell structure at the end of the pod is caused by severe choking of the flow around the pod. At tube pressures above 500 Pa, the friction drag increases under the increased turbulence intensity near the pod surface. As tube temperatures increase, the onset of choking is delayed and the aerodynamic drag is reduced.
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