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문제 정의
- 또한, GTX가 지하터널을 급행으로 운행 시, 객실 압력변화에 의한 승객 이명감 수준이 어느 정도인지에 대한 정보도 부족하며, 차량제작 단계에서 승객 이명감 방지를 위한 차체기밀도 요구조건을 어느 수준으로 해야 하는 지에 대한 정보도 부재한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 수도권광역급행철도의 지하터널구조 및 GTX 운영조건을 고려하여 전산해석을 수행하여 터널 압력파 발생 수준을 검토하고, 그 결과를 바탕으로 고속열차에 적용하고 있는 승객중심의 객실 압력변화를 기준으로 GTX 차량제작에 필요한 차량기밀도 요구조건을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 GTX가 지하터널을 180km/h로 운행 시 객실 압력변동 기준을 만족시키는 GTX의 차량기밀도 요구성능을 도출하고자, 실제 영업운행 상황과 지하터널 구조를 고려한 1D 전산해석을 수행하였다. 그리고 해석결과 도출된 터널압력 결과를 바탕으로 차량기밀도에 따른 객실압력변동을 예측하여 차량기밀도 요구성능을 도출하였다.
제안 방법
- 한편, 객실압력은 차량의 기밀도(τ), 객실 내/외부 압력차에 따라 그 변화 정도가 다르게 나타나는데, 식(2)를 통해서 계산할 수 있다[7,8]. 그리고 계산된 실내압 변화를 바탕으로 국내 고속열차 차량에 만족시키는 차체 기밀요구 수준을 결정하였다[9]. 식(2)에서Pext는 터널압력, Pint 객실 내부압력 그리고 τ는 차체기밀도를 나타낸다.
- 그리고 네트워크 접속부(Junction)에서는 가상의 제어체적을 생성하고, 생성된 제어체적을 하나의 GJC(Ghost Junction Cell)로 구성하여 유한체적법으로 표현한 후, 접속부와 터널 간 인터페이스 경계면에서 플럭스(Flux) 정보교환을 통해 계산하였다[6]. 상기 지배방정식에 대하여 시간적분은 3차 TVD Runge-Kutta 기법을 그리고 공간차분에는 2차정확도 RoeM 기법을 적용하였다.
- 한편, 국내에서는 Nam 등 [4,5]이 1차원 특성방정식 기법을 이용하여 경부고속선 터널을 통과하는 KTX에 대한 전산해석을 수행하고 실차시험을 통한 검증을 수행하였다. 그리고 이를 바탕으로 교행하는 상황에 대한 압력파 변화를 예측하였다. 이처럼 기존연구들은 열차가 단순히 터널을 정차하지 않고 통과하는 많은 상황에 대한 해석이 대부분이다.
- 비첨두시(비혼잡시) 열차의 운전시격은 15분 그리고 자연환기 조건에 대하여 차체기밀도는 3초(A)와 6초(B)를 각각 적용하였다. 그리고 자연환기 조건을 모사하기위하여 환기구의 블라스트 댐퍼 80% 개방상황에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 첨두시(혼잡시, 출퇴근 시간대)는 운전시격 5분 그리고 열차주행 및 냉방기 가동에 의한 발열을 제거하기 위한 기계환기 조건에 대해서 차체기밀도 3초(C)와 6초(D)를 각각 적용하였다.
- 그리고 자연환기 조건을 모사하기위하여 환기구의 블라스트 댐퍼 80% 개방상황에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 첨두시(혼잡시, 출퇴근 시간대)는 운전시격 5분 그리고 열차주행 및 냉방기 가동에 의한 발열을 제거하기 위한 기계환기 조건에 대해서 차체기밀도 3초(C)와 6초(D)를 각각 적용하였다. 기계환기에는 본선 환기구 송풍기의 실제 운영환경, 급기풍량 12,000 CMM, 배기풍량 8,000 CCM을 적용하였다.
- 본 연구에서는 GTX가 지하터널을 180km/h로 운행 시 객실 압력변동 기준을 만족시키는 GTX의 차량기밀도 요구성능을 도출하고자, 실제 영업운행 상황과 지하터널 구조를 고려한 1D 전산해석을 수행하였다. 그리고 해석결과 도출된 터널압력 결과를 바탕으로 차량기밀도에 따른 객실압력변동을 예측하여 차량기밀도 요구성능을 도출하였다. 그 결과 복선구간에서는 3초 이상, 단선구간에서는 6초 이상의 차량기밀도가 확보되어야 객실압력변동 기준에 만족할 것으로 예상된다.
- 그리고 첨두시(혼잡시, 출퇴근 시간대)는 운전시격 5분 그리고 열차주행 및 냉방기 가동에 의한 발열을 제거하기 위한 기계환기 조건에 대해서 차체기밀도 3초(C)와 6초(D)를 각각 적용하였다. 기계환기에는 본선 환기구 송풍기의 실제 운영환경, 급기풍량 12,000 CMM, 배기풍량 8,000 CCM을 적용하였다.
- 특히, 본 연구와 같이 매우 긴 지하터널(약 37km) 전체의 공기압 해석을 위해서는 계산시간 및 계산용량 축소를 위해 특별한 전산해석기법이 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 식(1) 같이 1D 압축성 Navier-Stokes을 지배방정식으로 적용하여, 지하터널, 차량형상 그리고 환기구 등의 3차원적 구조를 생략하는 대신 면적 및 운용제원 등의 값을 적용하여 그 효과를 고려하였다.
- 하지만, 실제 승객이 느낄 수 있는 이명감은 많은 역사가 연결된 지하터널에서 환기구와 같은 환기시스템 그리고 차량 운영상황 등을 모사한 경우에 대한 해석이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 현재 계획 중인 수도권 광역철도 A라인(74.8km)의 GTX 전용구간(킨텍스~삼성 37km)에 대하여 토목구조 및 차량운용 시나리오 그리고 터널의 환기시스템 운영조건이 모두 고려된 실제상황에 대한 전산해석을 수행하였다.
- 지하터널 공기압 해석을 위한 GTX 및 환기시스템 운용 시나리오는 Table 3과 같이 정의하였다. 비첨두시(비혼잡시) 열차의 운전시격은 15분 그리고 자연환기 조건에 대하여 차체기밀도는 3초(A)와 6초(B)를 각각 적용하였다. 그리고 자연환기 조건을 모사하기위하여 환기구의 블라스트 댐퍼 80% 개방상황에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
- 환기구는 비첨두 시 블라스트 댐퍼를 개방하여 자연환기 모드로 하였으며, 댐퍼의 면적은 유효면적 20m2으로 반영하였다. 차량의 최대 운전속도는 설계최고속도 200km/h, 운전시격은 수송인원의 예측 수요에 따라 첨두시 편도 5분간격, 비첨두시 15분으로 반영하였다. 열차의 총 길이는 6량 1편성으로 141m, 단면적은 10.
- 차체 기밀도 6초의 GTX 차량을 가상 영업운행에 대한 해석을 수행하였다. 첨두시 다수의 차량에 의해 발생하는 각 압력파가 상호간섭하여 나타날 수 있는 압력변화 정도를 단독주행 상황과 비교하여 Table 5에 정리하였다.
- 그리고 환기구 개수는 기계환기 시 급기와 배기의 풍량밸런스을 맞추기 위하여 홀수개로 배치하였다. 환기구는 비첨두 시 블라스트 댐퍼를 개방하여 자연환기 모드로 하였으며, 댐퍼의 면적은 유효면적 20m2으로 반영하였다. 차량의 최대 운전속도는 설계최고속도 200km/h, 운전시격은 수송인원의 예측 수요에 따라 첨두시 편도 5분간격, 비첨두시 15분으로 반영하였다.
대상 데이터
- 5km 이내로 분포시켰다. 그리고 정차역 및 단선터널 양끝에 2개씩 설정하여 총 24개의 환기구를 구성하였다. 해석구간의 대부분은 복선터널로 구성되며, 한강 하저구간 약 1.
- 본 연구의 해석대상 구간은 A라인(킨텍스~동탄, 총 연장 74.8km)중 킨텍스~삼성(총 연장 37km) GTX 전용구간이다. 해당 구간의 정차역은 Fig.
- 2km/h 속도로 진입하여 터널구간을 일정속도로 통과하는 조건이다. 비교검증을 위한 열차의 실내/외 압력은 열차 전두부에서 약 138.25m 지점(Car C) 그리고 터널압력은 남쪽 출구로부터 약 1343m 지점에서 도출한 값을 이용하였다(Fig. 1).
- 차량의 최대 운전속도는 설계최고속도 200km/h, 운전시격은 수송인원의 예측 수요에 따라 첨두시 편도 5분간격, 비첨두시 15분으로 반영하였다. 열차의 총 길이는 6량 1편성으로 141m, 단면적은 10.01m2으로 가정하였다. 그리고 역사간 차량에 운영속도변화는 감가속도를 반영하여 Fig.
- Table 2는 터널, 환기구, 차량에 대한 제원 그리고 운용조건 등을 나타낸다. 터널단면적은 복선터널에서 65.06m2 그리고 단선터널에서는 34.43m2를 각각 적용하였다. 환기구의 배치와 상세제원은 공용구간인 수서~동탄 구간의 제원을 반영하였으며, 배치는 해석모델의 단순화를 위하여 역사간 균일하게 배치하였다.
- 해석프로그램의 검증을 위해 TRANSAERO Project[7]에서 공개된 이탈리아 Terranuova Le Ville 터널을 진/출입현장시험 데이터를 이용하였다[10]. Table 1은 해당 터널 및 시험열차 ETR500의 제원을 나타낸다.
- Table 1은 해당 터널 및 시험열차 ETR500의 제원을 나타낸다. 현장시험 측정조건은 ETR 500 고속열차가 남측갱구(South portal)를 275.2km/h 속도로 진입하여 터널구간을 일정속도로 통과하는 조건이다. 비교검증을 위한 열차의 실내/외 압력은 열차 전두부에서 약 138.
이론/모형
- 그리고 네트워크 접속부(Junction)에서는 가상의 제어체적을 생성하고, 생성된 제어체적을 하나의 GJC(Ghost Junction Cell)로 구성하여 유한체적법으로 표현한 후, 접속부와 터널 간 인터페이스 경계면에서 플럭스(Flux) 정보교환을 통해 계산하였다[6]. 상기 지배방정식에 대하여 시간적분은 3차 TVD Runge-Kutta 기법을 그리고 공간차분에는 2차정확도 RoeM 기법을 적용하였다.
성능/효과
- 그리고 해석결과 도출된 터널압력 결과를 바탕으로 차량기밀도에 따른 객실압력변동을 예측하여 차량기밀도 요구성능을 도출하였다. 그 결과 복선구간에서는 3초 이상, 단선구간에서는 6초 이상의 차량기밀도가 확보되어야 객실압력변동 기준에 만족할 것으로 예상된다. 본 연구결과는 향후 GTX의 승객이명감대책을 위한 다양한 기술적 대안들을 검토함에 있어 유용한 자료가 될 것으로 기대한다.
후속연구
- 그 결과 복선구간에서는 3초 이상, 단선구간에서는 6초 이상의 차량기밀도가 확보되어야 객실압력변동 기준에 만족할 것으로 예상된다. 본 연구결과는 향후 GTX의 승객이명감대책을 위한 다양한 기술적 대안들을 검토함에 있어 유용한 자료가 될 것으로 기대한다.
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