[논문]진공튜브 내 초고속열차의 공기저항 파라메타 연구 - 1

권혁빈; 강부병; 김병윤; 이두환; 정현주

진공튜브 내 초고속열차의 공기저항 파라메타 연구 - 1
Parametric Study on the Aerodynamic Drag of Ultra High-speed Train in Evacuated Tube - Part 1 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.13 no.1 = no.56, 2010년, pp.44 - 50

권혁빈 (한국철도기술연구원 초고속열차연구실) , 강부병 (한국철도기술연구원 초고속열차연구실) , 김병윤 ((주)넥스트이엔에스, 중공업) , 이두환 ((주)넥스트이엔에스, 중공업) , 정현주 ((주)넥스트이엔에스, 중공업)

초록
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본 연구에서는 튜브-열차 시스템의 기본적인 유동장의 특성을 파악하고, 튜브열차의 공기저항을 계산할 수 있는 보다 효율적인 수치 해법을 제시하고 계산 결과에 대한 타당성을 논하였다. 최소한의 계산 영역 내에선 정상상태의 해를 찾기 위하여 비정상 해석의 결과를 기준으로 하여 경계조건의 부여 방법을 변화시킨 정상 해석의 결과를 비교한 결과, 열차속도가 300 km/h일 경우에는 공기저항의 값이 정상해석 결과와 비정상해석 결과가 잘 일치하였으며, 동일 속도 대역에서의 고속열차 현장시험 결과와 비교한 결과 열차/터널 단면적비에 따라 공기저항의 비가 동일한 추세를 나타나는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is devoted to understand the basic characteristics of the flowfield around a train in evacuated tube and to suggest an efficient numerical method to calculate the flowfield. To get steady-state solution in minimum calculation domain, various boundary condition have been tried for steady calculation and have been compared to the solution of unsteady calculation. At the train velocity of 300km/h, the aerodynamic drag results of both calculation method agreed very well. The drag ratio between on the open filed and in the tube from the calculation result by the suggested numerical method lied in the same fitting curve with that from the filed test of high-speed trains running in the line.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 열차의 공기저항을 다양한 파라메타에 대해 평가하는 것을 목표로 하고 있기 때문에 공간적으로는 최소한의 계산 영역을 가지고, 시간적으로는 최종적인 정상 상태에서의 유동장을 빠른 시간 내에 얻을 수 있는 계산기법을 연구하였다.
본 연구에서는 튜브-열차 시스템의 기본적인 유 동장의 특성을 파악하고, 튜브열차의 공기저항을 계산할 수 있는 보다 효율적인 수치 해법을 제시하고 계산 결과에 대한 타당성을 논하였다.
본 연구에서는 튜브-열차 시스템의 기본적인 유동장의 특성을 파악하고, 튜브열차의 공기저항을 계산할 수 있는 보다 효율적인 수치 해법에 대해 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 튜브열차 시스템에서 열차 주위 유동장의 파악을 위하여 열차 주위의 유동장을 정상 상태로 가정하여 해석을 수행하여 해석시간을 크게 절감하여 다양한 파라메타를 변화시 켜가면서 열차의 공기 저항을 평가할 수 있는 기법에 대해 연구하였다. 이를 위하여 비정상 해석의 결과를 기준으로 하여 경계조건의 부여 방법을 변화시킨 정상 해석의 결과를 비교함으로써 최적의 정상해석 기법을 도출하였다.

제안 방법

대해 연구하였다. 이를 위하여 비정상 해석의 결과를 기준으로 하여 경계조건의 부여 방법을 변화시킨 정상 해석의 결과를 비교함으로써 최적의 정상해석 기법을 도출하였다.
열차의 출발 시 발생하는 압력파가 튜브 벽면에서 반사되는 것을 막기 위하여 튜브 길이를 열차 길이의 21배로 충분히 하였으며, 이 경우 압력파가 튜브 입출구에 도달하기 이전에 열차주위 유동장이 정상상태에 도달할 것으로 예상된다. 정상해석 시에는 Zone A에 해당하는 부분을 생략하고 튜브 출구 및 입구에서 경계조건을 적용하였다.
정상해석에서는 비정상 해석과 동일한 solver 타입과 난류모델을 적용하였으며, 전후방 경계도 비정상 해석과 마찬가지로 열차 길이 10배 전후로 설정하였다. 정상 해석에서는 비정상 해석과 달리 열차의 전방과 후방의 경계조건을 특정하여야 하는데, 본 연구에서는 몇 가지 경계조건 부여 방안을 적용하여 정상해석을 수행한 후 비정상 해석 결과와 비교하였으며, 전방을 Pressure-far-filed, 후방을 Pressure-outlet으로 설정한 경우 비정상 해석 결과를 이용하지 않고 독립적인 정상해석만으로 열차의 공기저항을 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
튜브 내 열차 주위의 유동장에 대하여 정상해석을 수행하였다. 정상해석에서는 비정상 해석과 동일한 solver 타입과 난류모델을 적용하였으며, 전후방 경계도 비정상 해석과 마찬가지로 열차 길이 10배 전후로 설정하였다.
튜브 내에 위치한 열차를 정지 상태에서 0.1 초 간 주행속도로 가속하여 비정상 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

해석 기법의 검증을 위해서는 다수의 비정상 시뮬레이션의 수행이 필요하므로 축 대칭 모델을 이용하여 계산을 수행하기로 한다. 열차의 전두부 형상은 미사일과 같은 축대칭 형상의 초고속 비행체의 전두부에 많이 사용되는 Tangent Ogive 형상을 이용하였으며, 전두부 길이는 10m, 전체 열차 길이는 100m이며, 열차와 튜브의 직경은 각각 3m와 6m이다.

데이터처리

계산에 사용된 CPU는 작동클럭 이 3.0GHz인 Intel Xeon 5450 프로세서로서 이더넷으로 16core를 연결하여 계산하였다. 한 case 당 소요된 계산시간은 축대칭 비정상 해석의 경우에는 7일, 정상해석의 경우에는 4시간이 소요되어 정상해석이 비정상해석에 비해 42분의 1로 계산시간이 줄어듦을 알 수 있다.

이론/모형

26이 이용되었다. 그리고, 튜브와 열차의 상대적 운동을 모사하기 위해서 FLUENT에서 제공하는 MDM(Moving Dynamic Mesh) 해석 기법을 이용하였다. 아래 Table 2와 Table 3에는 Fluent로 해석 시 부여한 해석 조건 및 경계조건을 나타내고 있다.
튜브열차 시스템의 공력 모델링 및 격자계 형성을 위해서는 Pre-Processing인 GAMBIT™ Ver.2.3.16을 사용하였고, 전산유체해석 수행을 위한 Solver로는 FLUENT™ ver.6.3.26이 이용되었다. 그리고, 튜브와 열차의 상대적 운동을 모사하기 위해서 FLUENT에서 제공하는 MDM(Moving Dynamic Mesh) 해석 기법을 이용하였다.

성능/효과

2. 튜브-열차 시스템의 유동장은 다양한 유동스케일과 매우 긴 시간적 경계를 갖기 때문에 전산유체역학을 이용하여 공기저항을 평가하는 경우에는 최소한의 계산 영역 내에서 정상상태의 해를 찾을 수 있는 계산기법이 보다 효율적이다.
3. 비정상 해석의 결과를 기준으로 하여 경계조건의 부여 방법을 변화시킨 정상 해석의 결과를 비교한 결과, 열차 속도가 300km/h일 경우에는 공기저항의 값이 정상해석 결과와 비정상해석 결과가 잘 일치하였으며, 속도가 700km/h로 증가한 경우에는 압력저항의 증가에 따라 전체 저항이 약 20% 정도의 차이를 보인다.
4. 300km/h 속도 대역에서 개활지와 튜브 내에서의 공기저항 계산 결과를 기존의 고속열차 현장시험 결과와 비교한 결과 열차/터널 단면적비에 따라 공기저항의 비가 동일한 추세를 나타나는 것으로 나타났다.
급작스런 가속에 의해 발생한 수치적인 압력파와 팽창파는 열차와 분리된 이후 열차의 저항에는 아무런 영향을 미치지 않고 있음을 항력 계수 히스토리를 통해 확인할 수 있었다. 따라서, 열차 주위 유동은 출발 시 유동의 불안전성이 제거된 이후에는 정상 상태를 유지하고 있는 것을 알 수있으며, 압력파의 통과 후 나타나는 전, 후방 압력경계에서의 압력 변화를 잘 반영한다면 열차 주위의 유동을 정상상태로 가정하여 해석을 수행하여도 열차의 공기저항을 비롯한 열차 주위의 유동장을 잘 모사할 수 있을 것으로 보인다.
따라서, 열차 주위 유동은 출발 시 유동의 불안전성이 제거된 이후에는 정상 상태를 유지하고 있는 것을 알 수있으며, 압력파의 통과 후 나타나는 전, 후방 압력경계에서의 압력 변화를 잘 반영한다면 열차 주위의 유동을 정상상태로 가정하여 해석을 수행하여도 열차의 공기저항을 비롯한 열차 주위의 유동장을 잘 모사할 수 있을 것으로 보인다.
8에는 열차속도 300kiMi와 700km에서의 열차 표면 및 대칭축에서의 압력 분포를 각각 나타내고 있다. 먼저, 열차속도가 300km/h일 경우(Fig. 7)에서는 비정상 해석과 비교하여 모든 위치에서 전반적으로 lOOPa 내외로 압력이 크게 나타났지만, 압력의 분포는 거의 동일하게 나타났다. 반면 700kn의 열차 속도(Fig.
나타내고 있다. 먼저, 열차속도가 300km/h일 경우에는 공기저항의 값이 정상해석 결과와 비정상해석 결과가 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이 경우에는 총 저항뿐만 아니라 압력저항과 점성저항으로 성분별로 비교하여도 두 경우가 잘 일치했다.
본 계산에서는 계산시간을 줄이기 위하여 0.1 초라는 다소 비현실적인 가속시간을 설정하였기 때문에 가속 시 발생하는 압축파의 크기가 매우 크게 나타났다. 만일 가속 시간을 승차감과 추진성능 등을 고려하여 현실적으로 충분히 크게 설정한다면 압축파의 크기는 열차 전방의 고압부 크기 이상으로 증가하지는 않을 것이다.
10에 나타내었다. 전반적으로 두 경우 모두 전두부 및 후미 부에서의 압력분포가 매우 유사하게 나타났으며, 후미 부의 튜브 벽면에서 등압선이 비정상 해석의 경우에는 벽면에 평행한 데 반하여 정상해석의 경우에는 벽면에 수직으로 분포하는 차이점을 보였다. 또한, 열차속도 300km/h 에 비해 700km/h일 경우에는 후미부의 속도분포가 다소 치아를 보였는데, 정상 해석 시에는 비정상 해석 시에 압력회복이 다소 빠르게 나타나며, 이로 인해 유속의 구배도 더 완화되는 것으로 보인다.
정상해석에서는 비정상 해석과 동일한 solver 타입과 난류모델을 적용하였으며, 전후방 경계도 비정상 해석과 마찬가지로 열차 길이 10배 전후로 설정하였다. 정상 해석에서는 비정상 해석과 달리 열차의 전방과 후방의 경계조건을 특정하여야 하는데, 본 연구에서는 몇 가지 경계조건 부여 방안을 적용하여 정상해석을 수행한 후 비정상 해석 결과와 비교하였으며, 전방을 Pressure-far-filed, 후방을 Pressure-outlet으로 설정한 경우 비정상 해석 결과를 이용하지 않고 독립적인 정상해석만으로 열차의 공기저항을 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
6배의 공기저항을 나타내게 된다. 터널/열차 공기저항비는 열차/ 터널 단면적비의 대략 자승에 비례하는 것으로 나타나며, 기존 고속열차의 시험결과 값과 본 연구의 수치해석 값이동일한 선상에 존재하는 것으로 볼 수 있다.

후속연구

1. 튜브열차 시스템은 내부유동과 외부유동의 특성을 동시에 갖고 있으며, 고속의 유동이기 때문에 실험적인 연구에 앞서 전산유체역학을 이용한 수치해석으로 유동장의기본적인 특성을 파악할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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