[논문]섬식 승강장에서 열차 운행에 의한 지하철 승강장 스크린 도어 풍압 해석

이명성; 원찬식; 허남건

문제 정의

또한 실제 운행곡선에 의거하여열차가 역사에 진입, 진출 그리고 최고 운행속도로 역사를 통과하는 경우로 해석 조건을 구분하여 열차풍에 의해 PSD에작용되는 풍압을 여러가지 조건에서 수치 해석하였다. 최종적으로 수치 해석 결과를 검토함으로써 PSD 및 건축 마감에 미치는 압력을 구하고 PSD가 설치된 선례의 풍압 조건과 비교하여 설계의 적정성 및 신뢰성을 확보하고자 한다.

가설 설정

또한 총 해석 격자는 2, 800, 000개로 열차의 운행을 표현하기 위한 이동격자는 800, 000개이고 나머지 부분인 유동장은 2,000, 000개이다. 경계조건으로 이전 역과 다음 역을 연결하는 터널 양 끝단은 수치해석의 대상이 되는 이동 열차 이외에 추가적인 열차의 운행이 없는 상태라고 가정하여 대기 압력 조건을 적용하였고, 양 끝단이 아닌 다른 부분은 벽 조건이 적용되었다.
열차 운행에 의한 풍압해석은 3차원 압축성 난류 유동으로 가정하여 연구하였다. 일반적인 수치해석 연구에는 시간 및 비용 등의 문제로 비압축성 유동으로 가정하지만, 비압축성 해석은 열차가 진입하는 순간의 압력 변동은 잘 모사하는 반면 시간에 따라 압력이 변하는 유동 현상에 대한 결과는 부정확하므로 본 연구에서는 보다 실제적인 현상을 모사하기 위해 압축성 유동으로 해석을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 보다 신뢰성 있는 수치해석을 위하여 열차의 자세한 형상을 모델링하는 것뿐만 아니라, 다른 역사와 연결되는 전체 터널 구간을 해석 격자에 포함하였다. 또한 실제 운행곡선에 의거하여열차가 역사에 진입, 진출 그리고 최고 운행속도로 역사를 통과하는 경우로 해석 조건을 구분하여 열차풍에 의해 PSD에작용되는 풍압을 여러가지 조건에서 수치 해석하였다. 최종적으로 수치 해석 결과를 검토함으로써 PSD 및 건축 마감에 미치는 압력을 구하고 PSD가 설치된 선례의 풍압 조건과 비교하여 설계의 적정성 및 신뢰성을 확보하고자 한다.
이때 양압은 열차 측에서 PSD 방향으로 밀어내는 힘을 의미하고, 부압은 열차 측에서 PSD를 당기는 방향의 힘을 나타낸다. 마지막으로 세 번째 방법은 PSD 전체 길이에 대한 압력 변화를 시간에 따라 나타내어 압축파와 팽창파의 생성과 소멸을 표현하였다.
3차원 해석 결과를 보정하였다. 본 연구에서는 보다 신뢰성 있는 수치해석을 위하여 열차의 자세한 형상을 모델링하는 것뿐만 아니라, 다른 역사와 연결되는 전체 터널 구간을 해석 격자에 포함하였다. 또한 실제 운행곡선에 의거하여열차가 역사에 진입, 진출 그리고 최고 운행속도로 역사를 통과하는 경우로 해석 조건을 구분하여 열차풍에 의해 PSD에작용되는 풍압을 여러가지 조건에서 수치 해석하였다.
본 연구에서는 섬식 승강장 구조인 서울대 입구역을 3차원 모델링하여 3가지 운행 조건에 따라 PSD 에 작용하는 풍압을 수치 해석하였다. PSD의 설치로 인하여 차단된 열차 운행 통로 내부에서 공기의 압축성 효과로 인한 압축파와 팽창파가 생성, 소멸되어 압축파는 PSD에 양압으로 작용하고, 팽창파는부압으로 나타나는 것을 확인하였다.
위 연구에 적용된 수치해석 방법은 상용 프로그램인 STAR-CD[4]에서 지원하는 이동격자(Moving Mesh)기법을 이용하여 움직이는 열차를 모사하고 그에 따라 발생하는 풍압의 변화를 예측하는 것으로 천안 . 아산 역사에서 고속열차가 300 km/h로 통과할 때 역사 내에서 실험 장치를 이용한 실제 측정 결과와 비교하여 정성적 . 정량적으로 유사한 결과를 얻었다[5].
열차의 운행조건에 따라서 PSD에 작용하는 풍압 변화를 알기 위해 3가지 방법을 사용하였다. 첫 번째는 Fig.
국내에서 CFD가 적용된 연구로는 경부고속철도의 건설과 관련하여 고속 열차가 역사를 통과하는 경우 승객의 안전과 쾌적성을 위한 역사 내부의 풍압 환경에 관한 연구[1-3]가 수행되어 안전한 역사 환경 설계 자료로 활용되었다. 위 연구에 적용된 수치해석 방법은 상용 프로그램인 STAR-CD[4]에서 지원하는 이동격자(Moving Mesh)기법을 이용하여 움직이는 열차를 모사하고 그에 따라 발생하는 풍압의 변화를 예측하는 것으로 천안 . 아산 역사에서 고속열차가 300 km/h로 통과할 때 역사 내에서 실험 장치를 이용한 실제 측정 결과와 비교하여 정성적 .
연구하였다. 일반적인 수치해석 연구에는 시간 및 비용 등의 문제로 비압축성 유동으로 가정하지만, 비압축성 해석은 열차가 진입하는 순간의 압력 변동은 잘 모사하는 반면 시간에 따라 압력이 변하는 유동 현상에 대한 결과는 부정확하므로 본 연구에서는 보다 실제적인 현상을 모사하기 위해 압축성 유동으로 해석을 수행하였다. 개활지에서 고속전철이 300 km/h로 운행하는 경우에도 마하수가 0.
위해 3가지 방법을 사용하였다. 첫 번째는 Fig. 4와 같이 PSD의 양쪽 끝 부분과 가운데 부분을 측정 위치(총 3곳) 로지정하여 시간에 따른 압력 변화가 승강장의 위치에 따라서 어떤 차이가 있는지 비교하였고 두 번째는 PSD에 작용하는 압력 분포(contours)를 열차의 위치와 함께 시간에 따라서 연속적으로 도시함으로써 역사 내부의 압축파와 팽창파로 인해발생되는 양압과 부압의 위치를 파악하였다. 이때 양압은 열차 측에서 PSD 방향으로 밀어내는 힘을 의미하고, 부압은 열차 측에서 PSD를 당기는 방향의 힘을 나타낸다.
7%이다. 터널을 지나가는 열차의 단면적의 변화는 PSD에 작용하는 압력에 영향을 미치기 때문에 Fig. 2와 같이 실제적인 열차의 형상을 모사하여 보다 정확한 해석 결과를 도출하였다. 또한 총 해석 격자는 2, 800, 000개로 열차의 운행을 표현하기 위한 이동격자는 800, 000개이고 나머지 부분인 유동장은 2,000, 000개이다.

대상 데이터

2와 같이 실제적인 열차의 형상을 모사하여 보다 정확한 해석 결과를 도출하였다. 또한 총 해석 격자는 2, 800, 000개로 열차의 운행을 표현하기 위한 이동격자는 800, 000개이고 나머지 부분인 유동장은 2,000, 000개이다. 경계조건으로 이전 역과 다음 역을 연결하는 터널 양 끝단은 수치해석의 대상이 되는 이동 열차 이외에 추가적인 열차의 운행이 없는 상태라고 가정하여 대기 압력 조건을 적용하였고, 양 끝단이 아닌 다른 부분은 벽 조건이 적용되었다.
본 연구에서는 지하철 2호선 서울대 입구역을 3차원 모델링하였다. 위 역사는 상 .
1과 같은 전체 해석 격자 구성 시 역사뿐만 아니라 역사 양끝의 운행 터널도 고려되었다. 역사 설계 도면에의거하여 승강장의 길이는 210 이이고 터널 효과 및 유동을 충분히 발달시키기 위한 진입 터널과 출구 터널의 길이는 각각 984 m, 1050 m이다. 역사를 운행하는 열차의 길이는 10량으로 길이가 200 m이고, 압력변동에 영향을 미치는 열차의 단면적은 에어컨 형상의 포함 유 .

이론/모형

열차의 운행을 모사하기 위해 이동 격자(Moving Mesh) 방법을 사용하였다. 풍압해석을 위한 열차 운행조건은 총 3가지로서 역사로 열차가 진입하는 경우{case 1), 역사로부터 진출하는 경우(case 2) 그리고 역사를 최고 운행속도로 통과하는 경우(case 3)이다.

성능/효과

해석하였다. PSD의 설치로 인하여 차단된 열차 운행 통로 내부에서 공기의 압축성 효과로 인한 압축파와 팽창파가 생성, 소멸되어 압축파는 PSD에 양압으로 작용하고, 팽창파는부압으로 나타나는 것을 확인하였다. Case 1, 2, 3 모두 열차선두 앞부분의 PSD에서 압축파로 인한 최대 양압이 발생하고 열차 선두부가 지난 곳 이후의 압력은 양압에서 부압으로 바뀌고 두 압력값의 차이는 열차의 속도가 최대인 Case 3에서 최대가 된다.
9에서 13초일 때 열차의 후미부는 승강장 가운데 부분에 위치하는 것을 예측할 수 있다. 위 두 가지 사실로부터 열차 후미부 근처의 PSD에는 부압이 가장 크게 작용하는 것을 알 수 있다. 또한 Fig.
10과 같이 부압이 증가하는 현상과 비교된다. 위와 같이 PSD에 작용하는 부압은 열차의 운행 속도와 관계있으며 열차의 속도가 감소할 때 부압은 감소하고 열차의 속도가 증가하면 부압도 증가하며, 열차가 일정한 운행 속도일 때부압 역시 일정하게 발생하는 것이 확인되었다. 또한 PSD 에 작용하는 압력은 Case 1에서 Fig.

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