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문제 정의
- 본 연구에서는 튜브열차 시스템의 주요 파라메타인 열차 속도, 공기밀도, 터널 직경에 따른 공기저항 의 특성을 살펴보았으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 튜브와 열차의 단면적 비에 따른 공기저항을 개략적으로 살펴보는 것이 본 연구의 목적이므로 튜브와 열차의 단면 형상은 원형으로 결정하였다. 가이드웨이 구조는 아직 확정되지 않았기 때문에 생략하였고, 열차 단면의 중심을 튜브 단면의 중심과 일치하게 단순화 하였다.
- 1 기압까지 감소시킴으로써 터널 단면적을 줄여 전체 건설비를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 이와 같은 구상이 대심도 지하터널의 건설과 결합되면, 소음과 지반진동을 완전히 배제하는 환경친화적인 시스템을 구성할 수 있으며, 이 같은 컨셉을 SUPERMETRO라고 제안하였다.
- 본 연구에서는 진공튜브 내 초고속열차의 공기저항을 전산 유체역학을 이용하여 계산하였으며, 튜브-열차 시스템의 주요 시스템 파라메타인 열차 속도, 공기밀도, 터널 직경을 변화 시 켜 가면서 공기 저항의 변화를 살펴 보았다.
- 열차의 길이는 총 100m이며 대략 5량의 편성이 가능하도록 설정하였다. 열차의 직경은 3m이며, 튜브의 직경은 4m에서 7m까지 다양하게 변화시켜가면서 해석을 수행하였다.
- 튜브 내에서의 열차 공기저항을 평가하기 위하여 튜브 열차의 공력 형상을 정의하였다. 튜브와 열차의 단면적 비에 따른 공기저항을 개략적으로 살펴보는 것이 본 연구의 목적이므로 튜브와 열차의 단면 형상은 원형으로 결정하였다.
- 공력 형상을 정의하였다. 튜브와 열차의 단면적 비에 따른 공기저항을 개략적으로 살펴보는 것이 본 연구의 목적이므로 튜브와 열차의 단면 형상은 원형으로 결정하였다. 가이드웨이 구조는 아직 확정되지 않았기 때문에 생략하였고, 열차 단면의 중심을 튜브 단면의 중심과 일치하게 단순화 하였다.
대상 데이터
- 3에 나타나 있다. 열차의 길이는 총 100m이며 대략 5량의 편성이 가능하도록 설정하였다. 열차의 직경은 3m이며, 튜브의 직경은 4m에서 7m까지 다양하게 변화시켜가면서 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 26을 이용하였다. 3차원 정상(Steady) Navier-Stokes 방정식을 Density based, Implicit 시간적분 옵션을 선택하여 해를 구하였으며, 난류 모델로서는 2- equation 모델인 k-omega SST 모델을 Compressibility Effect를 포함하여 적용하였다. 또한, 튜브와 열차의 상대적 운동을 모사하기 위해서 FLUENT에서 제공하는 MDM(Moving Dynamic Mesh) 해석 기법을 이용하였다.
- 3차원 정상(Steady) Navier-Stokes 방정식을 Density based, Implicit 시간적분 옵션을 선택하여 해를 구하였으며, 난류 모델로서는 2- equation 모델인 k-omega SST 모델을 Compressibility Effect를 포함하여 적용하였다. 또한, 튜브와 열차의 상대적 운동을 모사하기 위해서 FLUENT에서 제공하는 MDM(Moving Dynamic Mesh) 해석 기법을 이용하였다.
성능/효과
- 1. 튜브 내에서 주행하는 경우 공기저항은 개활지에 비하여 압력저항이 크게 증가하고 점성저항도 상당히 증가하게 되는데, 속도가 증가할수록 공기저항의 증가가 더 커지는 것으로 나타났다.
- 2. 개활지에서는 공기저항이 속도의 제곱에 비례하지만 튜브 내에서는 이보다 더 크게 증가하며 본 연구에서 수행한 열차/터널 단면적비에 대해서는 대략 2.3승 내외로 증가하였다.
- 3. 튜브 직경에 커질수록 공기저항은 감소하는 것으로 나타났으며, 전, 후미부의 압력장이 약화되기 때문에 압력저항이 감소하고, 이와 동시에 열차와 튜브 사이의 간격이 넓어져 유동의 속도가 감소하여 점성저항의 크기도 감소하기 때문으로 생각된다.
- 4. 튜브 열차의 공기저항은 개활지에서와 마찬가지로 공기 밀도에 비례한다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 5. 특정 속도와 튜브열차 단면적비, 그리고 공기 밀도의 조합에서 파라메타에 대한 공기저항 변화 경향의 불규칙성이 나타났으며, 이는 유동장의 천이 등 불안정성이 존재하여 나타나는 현상으로 추측된다.
- 840의 약 2배로 나타났다. 공기저항 증가를 성분 별로 나누어 살펴보면 압력저항이 약 2.6배 증가하고 점성저항은 약 1.7배 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 튜브 내에서 주행 저항 증가에는 전두부와 후미부에 형성되는 강한 압력장에 의한 압력 저항의 증가가 1차적 인 원인이며, 몸체와 튜브 사이의 좁은 공간으로 더 빠르게 흐르는 기류로 인한 점성저항의 증가도 상당한 기여를 하는 것으로 보인다.
- 모든 경우에서 튜브 직경에 커질수록 공기저항은 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 튜브의 단면적이 증가하여 전, 후미부의 압력장이 약화되기 때문에 압력저항이 감소하고, 이와 동시에 열차와 튜브 사이의 간격이 넓어져 유동의 속도가 감소하여 점성저항의 크기도 감소하기 때문으로 생각된다. 대기압(Fig. 14) 조건에서는 터널 단면적이 4m에서의 공기저항 값이 두드러지게 커지는 경향을 보였으나, 튜브 내 기준 기압이 대기압보다 낮을 경우에는 보다 완만하며 공기저항이 감소하며 각 기준 압력에 대하여 일정하게 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 14에는 튜브 직경에 다른 공기저항을 기준 기압 별로 각각 나타내었다. 모든 경우에서 튜브 직경에 커질수록 공기저항은 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 튜브의 단면적이 증가하여 전, 후미부의 압력장이 약화되기 때문에 압력저항이 감소하고, 이와 동시에 열차와 튜브 사이의 간격이 넓어져 유동의 속도가 감소하여 점성저항의 크기도 감소하기 때문으로 생각된다. 대기압(Fig.
- 이러한 현상은 개활지에서 이동하는 물체에 대해서는 매우 자연스러운 현상인데, 이는 밀도와 속도의 제곱항으로 나누어지는 항력계수가 일정 속도 영역 내에서는 항상 일정하기 때문이다. 본 연구에서 튜브 내의 열차에 대한 해석 결과를 통해 튜브 열차의 공기저항은 개활지에서와 마찬가지로 공기 밀도에 비례한다는 결론을 얻을 수 있다.
- 요약하자면, 튜브 내에서 주행하는 경우 공기저항은 개활지에 비하여 압력저항이 크게 증가하고 점성저항도 상당히 증가하게 되는데, 속도가 증가할수록 공기저항의 증가가 더 커지는 것으로 나타났다.
- 개념을 적용하는 연구를 수행한 바가 있다[5]. 이 연구에 따르면, 터널 내의 압력을 0.5기압에서 0.1 기압까지 감소시킴으로써 터널 단면적을 줄여 전체 건설비를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 이와 같은 구상이 대심도 지하터널의 건설과 결합되면, 소음과 지반진동을 완전히 배제하는 환경친화적인 시스템을 구성할 수 있으며, 이 같은 컨셉을 SUPERMETRO라고 제안하였다.
- 6)에는 속도에 따른 공기저항의 증가가 모든 기압 조건에 대하여 포물선에 가까운 형태로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 튜브 직경이 가장 큰 7m일 경우에도(Fig. 9)에도 나타나며, 두 경우 모두 회귀분석을 수행한 결과 각각 속도의 2.27승 및 2.37승에 비례하여 공기저항이 증가하는 것으로 나타났다. 통상적인 자유류 환경 내에서 공기저항은 속도의 2승에 비례하는 것에 비해 본 연구의 결과가 다소 차이가 나는 것을 알 수 있는데, 이것은 튜브 내 주행 시 튜브 벽면의 영향에 의해 속도증가에 따른 공기저항의 증가가 개활지보다 더 커지는 것을 의미한다고 볼 수 있다.
- 37승에 비례하여 공기저항이 증가하는 것으로 나타났다. 통상적인 자유류 환경 내에서 공기저항은 속도의 2승에 비례하는 것에 비해 본 연구의 결과가 다소 차이가 나는 것을 알 수 있는데, 이것은 튜브 내 주행 시 튜브 벽면의 영향에 의해 속도증가에 따른 공기저항의 증가가 개활지보다 더 커지는 것을 의미한다고 볼 수 있다.
후속연구
- 스위스메트로는 내경 5m인 두 쌍의 단선 터널을 전 구간지하에 건설하고, 추진에 소요되는 에너지를 절감하기 위하여 터널 내 압력을 아진공으로 유지하여 500km/h 이상의 속도로 주행 가능한 선형전동기를 이용한 추진시스템으로 선로와 직접적인 마찰이 없도록 자기부상 및 제어 방식을 적용하여 운행되는 초고속 자기부상 튜브-열차시스템으로기본개 념을 정립하였으며, 장기적으로는 목표속도 600-700 km/h로 1,000km 반경 내에서 운행되는 중단거리 항공 교통에 대한 효과적이고 환경친화적인 대안이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
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