[논문]고속열차의 터널 진입시 수직갱의 압력저감효과에 대한 수치해석 연구

김효근; 서상연; 하희상; 권혁빈

doi:10.9711/ktaj.2013.15.6.559

[국내논문] 고속열차의 터널 진입시 수직갱의 압력저감효과에 대한 수치해석 연구
A numerical study on the pressure relief by a vertical shaft in a high speed railway tunnel 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.15 no.6, 2013년, pp.559 - 570

김효근 (GS건설) , 서상연 (GS건설) , 하희상 (GS건설) , 권혁빈 (한국철도기술연구원)

초록
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고속철도는 대규모의 인원과 물자를 신속하게 운반할 수 있는 친환경 운송수단으로 각광받고 있다. 고속철도는 빠른 속도로 인해 선형이 제한되어 건설되므로 산이 많은 지형에서는 터널이 많아진다. 고속으로 주행중인 열차가 터널에 진입하는 경우에 터널내부에서 압력파가 발생하는데 이로 인해 이명감과 미기압파라는 문제가 발생한다. 터널 내의 압력파를 완화시키기 위한 다양한 방법 중 수직갱을 이용한 방법도 연구되고 있는데 이 연구에서는 TTMA라는 고속철도 터널 공기역학 해석프로그램을 이용하여 수직갱에 의한 수치해석모듈을 개발하였다. 이를 검증하기 위해 실측결과와 비교하여 그 성능을 검증하였으며 기존의 수치해석결과와 비교하여 그 우수성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High speed railway can transport large quantity of people and commodities in a short time and has become one of the most desirable and environmentally friendly transportation. However, it is hard to have a complicated route for high speed railways, construction of tunnels is essential to pass through a mountain area. When a high speed train enters a tunnel, pressure wave is created in a tunnel and the wave causes micro pressure wave and discomfort to passengers. In order to alleviate pressure wave in a tunnel, constructing a vertical shaft is one of the most efficient ways. This study represents a numerical analysis module, which takes into account the effect of a vertical shaft in a tunnel. The module can be used in a numerical program (TTMA) specialized for aerodynamics in a tunnel, and it was validated by comparing numerical results with various measurements in Emmequerung tunnel and results from numerical analysis using Fluent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2005) 여러 가지 방안이 제시되었다. 이 연구에서는 수직갱을 이용한 압력파 감소 효과를 수치적으로 해석하고 터널 내부의 압력변화 및 속도 측정결과와 비교하여 신뢰성이 높은 수치해석 방법을 제안하고자 한다.
이 연구에서는 수직갱이 있는 터널에 고속열차 진입시 발생하는 압력변화를 모델링하여 수치적으로 해석할 수 있는 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 축대칭 수직갱 격자와 이를 이용한 수치해석기법으로 구성되며, 좌표계를 터널 격자와 열차 격자로 분리한 후 각 격자의 물리량을 상호교환하게 하여 안정적이고 빠르게 해석을 수행할 수 있다.

가설 설정

5 m의 열차이다. 정확한 단면적이 공개되어 있지 않아서 이 연구에서는 열차단면적을 10 m²으로 가정하였으며 TTMA 모델링시 실제 열차속도를 198.5 km/h로 설정하였다.

제안 방법

Wu와 Shin등의 Fluent와 그 경계조건(Table. 1)을 이용한 수치해석결과(Wu et al., 2008, Shin et al., 2011)를 TTMA 해석결과와 비교하였다(Fig. 18). 각각의 해석결과는 실험결과와 유사한 경향을 보이고 있으나 8초에서 12초 사이에서는 실측과 다른 결과를 보이고 있다.
이 연구에서는 기존 프로그램에서 사용하던 터널격자에 수직갱을 표현하는 격자를 추가하여 계산할 수 있는 모듈을 개발하여 TTMA에 적용하였다. 그래서 기존 TTMA에서 불가능했던 수직갱이 있는 터널 수치모형의 공기압력해석을 가능하도록 하였다.
이 연구에서는 수직갱 격자와 해석모듈을 적용한 TTMA를 Emmequerung 터널모형에 적용하였다. 그리고 해석 결과를 Emmequerung 터널의 실측결과 및 다른 전산수치 프로그램 해석 결과와 서로 비교 검토하였다.
앞서 기술한 바와 같이 TTMA는 2차원 축대칭 프로그램으로 식 (1)과 같이 무차원 축대칭 압축성 NavierStoke’s equation을 기반으로 작성되었다. 여기서 터널의 환산직경(Hydraulic Diameter) D와 자유 기류(Free stream)의 밀도와 압력을 이용하여 각 물리량을 무차원화하였다.
이 연구에서는 기존 프로그램에서 사용하던 터널격자에 수직갱을 표현하는 격자를 추가하여 계산할 수 있는 모듈을 개발하여 TTMA에 적용하였다. 그래서 기존 TTMA에서 불가능했던 수직갱이 있는 터널 수치모형의 공기압력해석을 가능하도록 하였다.
특히 Zone5, 6은 남쪽 수직갱, Zone7, 8은 북쪽 수직갱을 나타낸다. 이 연구에서는 수직갱이 없는 경우, 1개만 있는 경우, 2개 모두 있는 경우의 3가지 조건에 대하여 모델링을 수행하였다.
이러한 오류를 최소화하기 위해서 열차를 정지상태에서 서서히 가속시켜야 하며, 해석시간을 줄이기 위해서는 해석결과의 정밀도가 허용되는 범위 내에서 격자수를 최대한 줄여야 한다. 이 연구에서는 열차를 서서히 가속시키는 방법으로 열차 가속도를 시간에 따른 함수로 적용하였으며, 여러가지 속도함수 중에서 수치적인 오류가 가장 작은 것을 선정하였다. 이를 식 (2)에 나타내었다(Kwon et al.
이 연구에서는 열차의 터널 진입시 터널 내 압력분포를 해석할 수 있는 열차-터널 공기역학 시뮬레이션 프로그램(TTMA)(Kwon et al., 2001)에 수직갱에 의한 압력저감효과를 계산할 수 있는 모듈을 개발하여 수치해석 범위를 확대하였다. 또한 개발된 프로그램을 이용한 수치해석 결과를 실측결과와 비교하여 정확성을 검증하였다.
이 연구에서는 이러한 점을 해결하기 위하여 Fig. 1에 나타난 바와 같이 터널과 수직갱의 좌표계를 서로 분리하였다. 터널의 길이방향 축을 x₁, 단면방향 축을 y₁으로 정의하며, 수직갱의 길이방향 축을 x₂, 단면방향 축을 y₂로 정의한다.
이 2가지 조건을 Riemann 외삽법에 적용하여 터널 입출구 외부공기의 속도, 압력, 밀도를 각각 계산할 수 있다. 터널에서 발생되는 압력파가 수치해석 모형 최외곽 경계에 부딪힌 후 반사되는 것을 막기 위해 해석영역의 최외곽 영역에는 무반사 조건을 적용하였다(Kwon et al., 2001).

대상 데이터

Fig. 3과 같이 Emmequerung 터널은 남북방향으로 단면적 75.9 m², 길이 1,633 m이며 터널 내부는 콘크리트 라이닝으로 시공되었다. 열차는 Alstom의 ETR 470 모델로(Fig.
9 m², 길이 1,633 m이며 터널 내부는 콘크리트 라이닝으로 시공되었다. 열차는 Alstom의 ETR 470 모델로(Fig. 4) 유선형 선두부를 가진 길이 236.5 m의 열차이다. 정확한 단면적이 공개되어 있지 않아서 이 연구에서는 열차단면적을 10 m²으로 가정하였으며 TTMA 모델링시 실제 열차속도를 198.

데이터처리

, 2001)에 수직갱에 의한 압력저감효과를 계산할 수 있는 모듈을 개발하여 수치해석 범위를 확대하였다. 또한 개발된 프로그램을 이용한 수치해석 결과를 실측결과와 비교하여 정확성을 검증하였다.

이론/모형

TTMA에서 터널과 기차의 벽면에 이용된 경계조건은 Slip Boundary Condition을 적용하였다. 즉, 터널벽면의 공기 유동 속도는 열차의 상대적 운동을 통해 얻을 수 있고, 벽면의 압력은 벽면에 수직한 운동량 방정식을 이용하여 계산할 수 있다.
무차원화된 방정식에서 대류항의 Flux는 Roe의 FDS를 이용하였으며, 공간정확도 향상을 위해 Koren의 limiter를 도입한 MUSCL기법(Monotone Upstreamcentered Schemes for Conservation Laws)을 활용하였다. 또한 시간적분법은 AF-ADI (Approximate Factorization-Alternate Direction Implicit)(Kwon et al., 2001)를 사용하였다.
는 축대칭 점성 소스항을 나타낸다. 무차원화된 방정식에서 대류항의 Flux는 Roe의 FDS를 이용하였으며, 공간정확도 향상을 위해 Koren의 limiter를 도입한 MUSCL기법(Monotone Upstreamcentered Schemes for Conservation Laws)을 활용하였다. 또한 시간적분법은 AF-ADI (Approximate Factorization-Alternate Direction Implicit)(Kwon et al.
앞서 기술한 바와 같이 TTMA는 2차원 축대칭 프로그램으로 식 (1)과 같이 무차원 축대칭 압축성 NavierStoke’s equation을 기반으로 작성되었다.
터널 입출구의 외부유동을 계산하기 위해서는 외부공기의 자유흐름 조건과 터널 입출구의 유동방향이 필요하다. 이 2가지 조건을 Riemann 외삽법에 적용하여 터널 입출구 외부공기의 속도, 압력, 밀도를 각각 계산할 수 있다. 터널에서 발생되는 압력파가 수치해석 모형 최외곽 경계에 부딪힌 후 반사되는 것을 막기 위해 해석영역의 최외곽 영역에는 무반사 조건을 적용하였다(Kwon et al.
, 2011). 이 연구에서는 수직갱 격자와 해석모듈을 적용한 TTMA를 Emmequerung 터널모형에 적용하였다. 그리고 해석 결과를 Emmequerung 터널의 실측결과 및 다른 전산수치 프로그램 해석 결과와 서로 비교 검토하였다.

성능/효과

TTMA와 수직갱 모듈을 스위스 Emmequerung 터널에 적용한 결과, 수직갱을 포함한 터널이 그렇지 않은 터널보다 최대압력이 약 60%까지 완화되었으나 두 번째 수직갱에 의한 압력파 감소효과는 6%에 그치고 있다. 즉, 수직갱의 개수와 터널압력 감소는 서로 비례하지 않는다는 것을 알 수 있다.
상용 유체해석 프로그램인 Fluent를 이용한 수직갱 터널 공압해석결과를 TTMA의 해석결과와 비교한 결과 전체적인 터널 내 압력분포는 유사하나 기차가 수직갱을 통과할 때는 수치해석결과가 서로 다르게 나타났다. 또한 기존연구에서 공기를 비점성 유체로 가정한 해석결과가 실측과 서로 상이한 결과를 나타낸 반면, TTMA는 공기의 점성을 그대로 반영하여 기존의 Fluent 해석결과보다 실측에 더 가까운 결과를 도출하였다.
즉, 수직갱의 개수와 터널압력 감소는 서로 비례하지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한 수직갱의 개수보다는 수직갱의 유무가 터널압력 저감에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
상용 유체해석 프로그램인 Fluent를 이용한 수직갱 터널 공압해석결과를 TTMA의 해석결과와 비교한 결과 전체적인 터널 내 압력분포는 유사하나 기차가 수직갱을 통과할 때는 수치해석결과가 서로 다르게 나타났다. 또한 기존연구에서 공기를 비점성 유체로 가정한 해석결과가 실측과 서로 상이한 결과를 나타낸 반면, TTMA는 공기의 점성을 그대로 반영하여 기존의 Fluent 해석결과보다 실측에 더 가까운 결과를 도출하였다.
수직갱이 없는 경우 압력은 최대 1,042 Pa에서 최소 –1,159 Pa로 압력차가 2,183 Pa이지만, 수직갱이 있는 경우 압력은 최고 697 Pa(2개인 경우는 654 Pa)에서 최소 –481 Pa(2개인 경우는 –492 Pa)로 최고압력은 35%, 최저압력은 60% 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 열차의 고속주행시 필요한 것은?	고속철도 선진국인 유럽과 일본을 비롯하여 지금은 미국 그리고 중국에서도 고속철도에 대한 연구와 건설을 구체적으로 계획하고 있으며 한국과 같이 이미 시공하고 있는 국가도 많다. 일반적으로 열차의 고속주행은 최적화된 열차형상이 요구되며 관련 인프라도 뒷받침되어야 한다. 또한 고속열차는 빠른 속도로 인해 선형이 제한되므로 가능한 직선으로 건설해야 한다. 따라서 일반적으로 고속철도 구간은 다른 저속열차보다 교량과 터널이 많게 된다.
	각국에서 개발하는 고속열차의 공통점은?	각국에서 개발하는 고속열차는 그 모양이 모두 제각각이지만 선두부가 유선형이라는 점이 공통점이다. 그 이유는 유선형의 선두부 형상이 고속주행시 공기저항을 최대한 감소시킬 수 있기 때문이다.
	세계 각국에서는 화석연료를 최대한 적게 사용하면서도 많은 인원과 물자를 신속하게 운송할 수 있는 수단으로 고속철도를 계획하게된 배경은 무엇인가?	전 세계적으로 지구온난화와 같은 환경문제가 급증하면서 운송수단도 큰 변화가 생겼다. 세계 각국에서는 화석연료를 최대한 적게 사용하면서도 많은 인원과 물자를 신속하게 운송할 수 있는 수단으로 고속철도를 계획하고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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Wu, K.H. (2008), "Aerodynamic aspects of highspeed railway underground station with adjoining tunnels", Ph.D Dissertation HKUST.
Yoon, T.S., Lee, S., Hwang, J.H., Lee, D.H. (2001) "Prediction and validation on the sonic boom by a high-speed train entering a tunnel", Journal of Sound and Vibration, Vol. 247, Issue 2, pp. 195-211.

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저자의 다른 논문 :

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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