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전산유체역학을 이용한 고속철도차량 객실 내 압력변동 평가
Assessment of the Pressure Transient Inside the Passenger Cabin of High-speed Train Using Computational Fluid Dynamics 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.12 no.1 = no.50, 2009년, pp.65 - 71  

권혁빈 (한국철도기술연구원 초고속열차연구실) ,  남성원 (한국철도기술연구원 철도환경연구실) ,  곽종현 (현대로템 선행제품개발팀)

초록
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축대칭 Navier-Stokes 방정식에 기반한 전산유체역학을 이용하여 고속철도차량 객실 내 압력변동을 평가하였다. 차량 내부의 압력변동은 차내 압력변화율과 차 내외부 압력변동의 선형 관계식에 근거한 1차 차분식을 이용하여 계산되었다. 전산해석 결과, 새로운 한국형 고속철도 차량이 경부고속선 터널을 330km/h로 통과할 시 발생하는 객실 실내압 변동은 해당 차량이 기밀도 국내기준을 만족한다고 가정하였을 시 철도차량의 실내압력변동 국내 기준치를 잘 만족하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The pressure transient inside the passenger cabin of high-speed train has been assessed using computational fluid dynamics (CFD) based on the axi-symmetric Navier-Stokes equation. The pressure change inside a train have been calculated using first order difference approximation based on a linear equ...

주제어

#압력 변동   #터널   #전산유체역학   #공기역학   #고속열차  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • KTX-U 열차가 330 km/h 속도로 터널을 통과 시 객실 내 압력변동을 평가하기 위하여 전산유체해석 기법을 이용하여 세 가지 터널 길이에 대한 수치해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 구축하여 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 객실 내 압력변동평가의 대상 열차는 호남고속선에 투입 예정인 최고속도 330km/h의 KTX-II열차이며, 현장시험치와의 비교검증을 위하여 KTX열차에 대해서도 수치해석이 수행되었다. 압력변동의 최대폭을 결정짓는 최대단면적에 있어서 KTX-II열차(10.
  • 1 에는 KTX-II 열차의 전두부 단면적 분포를 KTX 열차와 비교하여 나타내고 있다. 두 경우에서 모두 급격한 단면적의 변화는 전두부에서 발생하지만, 동력객차 전반부까지 미미하나마 단면적의 변화가 일어나기 때문에 본 그림에서는 전두부 끝단 기준 30m 길이까지의 단면적의 변화를 해석에 반영하였다.
  • 수치해석의 경계 조건으로서 터널 벽면에서의 유동 속도는 열차의 상대적 운동에 의해 결정되며, 벽면에서의 압력은 벽면에 수직한 운동량 방정식을 통하여 구할 수 있다. 또한 원방 경계조건은 자유흐름 조건과 유동의 방향에 따라 Riemann 불변량의 외삽을 통하여 속도, 압력 및 밀도를 구하였고, 무반사 조건을 부여하였다.
  • 전산유체해석 프로그램은 Roe의 FDS법에 기반하고 열차와 터널 사이의 상대운동을 효과적으로 계산하기 위하여 변형된 패치드 그리드법을 이용하였다. 열차의 통과 시 터널 내의 압력변동이 전산유체해석으로 모사되었고, 차량 내부의 압력변동은 차내 압력변화율과 차내외부 압력변동의 관계식에 근거한 1차 차분식을 이용하여 계산하였으며, 해석 결과를 국내 기준과 비교하여 만족 여부를 평가하였다.

대상 데이터

  • 터널의 경우에는 경부고속선에 위치한 상봉 1터널, 궁현터널 및 운주터널을 대상으로 선정하였으며, 각각 길이가 347m, 950m 및 4020m로서 터널 길이에 따른 압력변동 특성의 파악을 비교할 수 있도록 하였다.

이론/모형

  • 공간 변수들은 터널 직경으로 무차원화 하였으며, 나머지 변수들은 자유류 값들로 무차원화 하였다. 대류항의 플럭스는 Roe의 FDS를, 공간정확도를 높이기 위해서 Koren의 limiter를 도입한 MUSCL 기법을 사용하였고 시간적분법은 AF-ADI# 사용하였다 [7].
  • 본 연구에서는 고속열차 객실 내의 압력변동을 평가하기 위하여 고속철도차량이 터널을 통과할 때 발생하는 유동장을 축대칭 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 수치적으로 모사하였다. 전산유체해석 프로그램은 Roe의 FDS법에 기반하고 열차와 터널 사이의 상대운동을 효과적으로 계산하기 위하여 변형된 패치드 그리드법을 이용하였다.
  • 본 연구에서는 식 (1)에 나타난 축대칭 압축성 Navier- Stokes 방정식을 사용하였다. Q는 보존량 벡터, E, F는 플럭스 벡터, H는 소스항을 의미하며, Fv, Ev는 점성 플럭스 벡터, Hv는 점성 소스항을 나타낸다.
  • 열차의 초기 조건은 열차가 터널에 진입하기 전에 발생할 수도 있는 수치적인 압축파를 피하기 위해서 권혁빈 [7, 1 이이 제안한 완만한 출발(Smooth start) 기법을 사용하였다. 이 방법은 열차를 정지 상태에서 서서히 주행속도까지 가속시키는 것으로서 수치적 파동을 완전히 제거할 수 있을 뿐 아니라 속도 변화가 완만하고, 짧은 거리에서도 출발이 가능하므로 계산 시간을 크게 감소시킬 수 있다.
  • 전산유체해석 프로그램은 Roe의 FDS법에 기반하고 열차와 터널 사이의 상대운동을 효과적으로 계산하기 위하여 변형된 패치드 그리드법을 이용하였다. 열차의 통과 시 터널 내의 압력변동이 전산유체해석으로 모사되었고, 차량 내부의 압력변동은 차내 압력변화율과 차내외부 압력변동의 관계식에 근거한 1차 차분식을 이용하여 계산하였으며, 해석 결과를 국내 기준과 비교하여 만족 여부를 평가하였다.
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참고문헌 (11)

  1. 철도차향 안전기준에 관한 지침, 건설교통부고시 제2006-247호 

  2. A.E. Vardy, "Measured pressures in a very high speed tunnel", The international conference on speedup technology for railway and maglev vehicles, 1993.11 

  3. W.B. Wolf, E.A.F.A. Demmenie, "A new test facility for the study of interaction pressure waves and their reduction in tunnels for high-speed trains", BHR Groupe 1997 Vehicle Tunnels, 1997 

  4. 김동현, 양신추, 오일근, "한국형 터널 미기압파 저감 시험기개발", 1999년 한국철도학회 추계학술대회 논문집, 1999 

  5. 김태윤, 고속열차의 터널 진입 시 발생하는 압력파의 실험적 연구, 서울대학교 석사학위논문, 2000 

  6. Maeda, T., Matsumara, T., Jida, M., Nakatani, K and Uchida, K., "Effect of Shape of Train Nose on Compression Wave Generated by Train Entering Tunnel", Proc. International Conference on speedup technology for railway and maflev vehicles, Yokohama, Japan, JSME, Vol. 2, pp.315-319, 1993 

  7. 권혁빈, 터널을 통과하는 고속철도차량에 의한 비정상 압축성 유동장에 대한 연구, 서울대학교 박사학위논문, 2001 

  8. Hyeok-bin Kwon, Ki-hyeok Jang, Yu-shin Kim, Kwan-jung Yee and Dong-ho Lee, "Nose Shape Optimization of High-sped Train for Minimization of Tunnel Sonic Boom", JSME International journal Series C, Vol.44, No.3, pp. 890-899 

    상세보기 crossref

  9. 권혁빈, 김태윤, 이동호, 김문상, "혼합차원기법을 이용한 고속열차의 터널 통과 시 발생하는 비정상 압축성 뮤동장의 수치 해석", 한국항공우주학회지 30권 6호, pp. 78-83, 2002 

    원문보기 상세보기 crossref

  10. 권혁빈, 남성원, 차창환, "철도시스템 전산유체 표준 프레임웍을 이용한 KTX 차량 주변 압력장에 대한 수치해석", 한국철도학회 논문집 제9권 제5호 pp.1-6, 2006 

  11. 남성원, "KTX차량 내외부의 압력변동 특성에 관한 연구", 한국철도학회 논문집 제7권 제1호, 2004 

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