[논문]전산해석을 통한 고속철도용 저소음 저저항 팬터그래프 형상설계 연구

정성민; 이상아; 노주현; 김규홍

doi:10.6112/kscfe.2015.20.2.067

전산해석을 통한 고속철도용 저소음 저저항 팬터그래프 형상설계 연구
RESEARCH OF HIGH-SPEED TRAIN PANTOGRAPH SHAPE DESIGN FOR NOISE AND DRAG REDUCTION THROUGH COMPUTATIONAL ANALYSIS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.20 no.2 = no.69, 2015년, pp.67 - 72

정성민 (서울대학교 기계항공공학부) , 이상아 (서울대학교 기계항공공학부) , 노주현 (현대로템 고속차량개발팀) , 김규홍 (서울대학교 기계항공공학부 항공우주신기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, study of high speed train pantograph arm shape and panhead cross-section for aerodynamic drag and noise reduction is performed. In previous research, it is known that knee of pantograph arm and panhead of pantogpraph are main sources of noise from high speed train pantograph. By numerical simulation using full scale pantograph model, pantograph arm and panhead optimization are performed. As a result, drag and noise are reduced at both studies about high speed pantograph.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

고속열차용 저저항 저소음 팬터그래프의 형상을 설계하기 위해서 전산해석을 수행하였다. 기존 팬터그래프 형상에 대한 해석을 통해서 팬터그래프 암 연결부 형상이 소음과 항력의 주요인임을 확인 후 이를 해결하기 위해서 암 연결부 커버를 설치하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

선행연구들에서 팬터그래프의 주요 소음원이 팬헤드와 암연결부임을 확인한 뒤 본 연구에서는 이 주요 소음원들의 소음저감을 위한 형상설계 연구를 수행하였다. 우선 암 연결부의 경우 유선형 커버를 설치한 모델의 전산해석을 수행하여 소음 및 저항이 저감됨을 확인한 뒤 팬터그래프 암의 단면형상에 대한 최적설계를 수행하고 최적단면을 선정하여 전산해석을 통해 공력 소음과 저항이 저감됨을 확인하였다. 추가로 팬헤드 단면형상의 최적설계를 수행하여 소음 및 항력이 줄어든 것을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서 해석에 사용된 팬터그래프 모델은 Fig. 1의 KTX-산천에서 사용되는 싱글암 싱글헤드인 Faiveley의 CX 팬터그래프이다. 실제 모델을 바탕으로 Fig.

이론/모형

본 과제에서는 실험계획법(Design of Experiment)으로 Latin Hypercube Sampling을 수행하였고 근사모델로는 kriging 모델을 사용하였으며, GA를 이용한 최적화 작업을 반복 수행하였다. 최적화를 통해 Fig.
본 연구에서는 Ffowcs Williams와 Hawkings에 의해 제안된 FW-H 모델을 이용하여 공력소음 해석을 수행하였다. 질량 및 운동방정식은 다음과 같다[10].
LES난류모델은 큰 스케일의 와류에 대해서는 직접 계산을 하고, 작은 스케일의 와류에 대해서는 난류 점성 모델을 사용하여 계산을 수행하기 때문에 박리 및 와류 예측에 뛰어나며 정확한 소음측정을 위한 모델로 적합하다. 본 연구에서는 Smagorinsky-Lilly 모델을 적용하여 작은 스케일의 난류점성 계산이 용이하도록 하였다.

성능/효과

2% 저감함을 확인하였다. 그 후 암단면에 대한 최적설계를 수행하여 소음은 평균 1.63 dB, 항력은 평균 4.0% 저감함을 확인하였다. 마지막으로 팬헤드 단면의 최적설계를 수행하여 소음은 평균 3.
0% 저감함을 확인하였다. 마지막으로 팬헤드 단면의 최적설계를 수행하여 소음은 평균 3.33 dB, 항력은 평균 17.41% 저감함을 확인하였다. 팬터그래프 암 연결부, 암단면, 그리고 팬헤드 설계를 통해서 최종적으로 기존 모델인 CX 팬터그래프와 비교할 때 소음은 평균 6.
41% 저감함을 확인하였다. 팬터그래프 암 연결부, 암단면, 그리고 팬헤드 설계를 통해서 최종적으로 기존 모델인 CX 팬터그래프와 비교할 때 소음은 평균 6.5 dB, 항력은 평균 25.61% 저감한 팬터 그래프 설계안을 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교통수단의 연구에 있어서 큰 화두가 되는 것은 무엇인가?	온실가스효과에 의한 지구온난화가 가속화됨에 따라 국제적으로 CO2저감은 교통수단의 연구에 있어 큰 화두가 되고 있다. 그 중 고속열차는 친환경적이고 효율적인 운송수단으로 유럽, 중국, 일본 등에서 연구가 활발하게 진행되고 있는 편이다.
	열차의 주행속도가 증가하면서 어떠한 요인들이 증속을 방해하게 되는가?	이렇게 열차의 주행속도가 증가할수록 다양한 요인들이 증속을 방해하게 되는데 그 중에서도 열차속도의 제곱에 비례하는 양력과 항력, 그리고 6 ~ 8승에 비례하는 공력소음은 열차의 주행속도가 300 km/h 이상이 되면서부터 전체 열차 성능에 지배적인 영향을 끼치게 된다[1].
	교통수단 중 어떤 수단이 CO2저감 연구가 활발하게 진행되고 있는 편인가?	온실가스효과에 의한 지구온난화가 가속화됨에 따라 국제적으로 CO2저감은 교통수단의 연구에 있어 큰 화두가 되고 있다. 그 중 고속열차는 친환경적이고 효율적인 운송수단으로 유럽, 중국, 일본 등에서 연구가 활발하게 진행되고 있는 편이다. 국내에서도 2004년에 운행을 시작한 KTX를 시작으로 현재까지 지속적으로 고속열차 분야가 발전해 왔으며 현재 상용화 예정중인 차세대 고속열차(HEMU-430X)은 최고속도 430 km/h, 운행속도 350 km/h를 목표로 개발 중이며 최근 시험에서 최고속도에 근접한 421 km/h의 속도를 달성하였다.

참고문헌 (11)

2012, Thompson, D., "Noise from high speed trains," KRRI International Workshop on High Speed Trains, Seoul, pp.17-40.
2013, Cho, T.H., Kim, Y.W. and Kim, C.W., "Wind tunnel test for the pantograph system of high speed train by using 1/2 scaled down model," The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 2013 spring conference, pp.93-96.
2004, Ikeda, M. and Takaishi, T., "Perforated Pantograph Horn Aeolian Tone Suppression Mechanism," QR of RTRI, Vol.45(3), pp.169-174.

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2010, Kurita, T., Hara, M., Yamada, H., Wakabayashi, Y., Mizushima, F. and Satoh, H., "Reduction of Pantograph Noise of High-Speed Trains," Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics, Vol.3, No.1, pp.63-74.

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1997, Holmes, B.S., Dias, J.B., Jaroux, B.A., Sassa, T. and Ban, Y., "Predicting the Wind Noise from the Pantograph Cover of a Train," International Journal for Numerical Methods in Fluids, Vol.24, pp.1307-1319.

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2011, Lee, Y.B., Kwak, M.H., Kim, K.H. and Lee, D.H., "Experimental Analysis on Aerodynamic Drag of HEMU-400X as Variations of Pantograph Cover Configurations," 2011 Fall Conference of the Korean Society for Railway, pp.88-90.
2011, Lee, Y.B., Kwak, M.H., Kim, K.H., Lee, D.H., Jeoung, H.S., Jang, Y.I. and Kwon, H.B., "Experimental Studies on Improvement of Aerodynamic Perfomance of Pantograph System for HEMU-400X," 2011 Spring Conference of the Korean Society for Railway, pp.1-6.
2011, Kang, H.M., Cho, T.H., Kim, C.W., Yoon, S.H., Kwon, H.B. and Park, C.S., "The Aerodynamic Analysis of Pantograph of the Next Generation High Speed Train," 2011 Spring Conference of the Korean Society for Computational Fluids Engineering, pp.362-367.
2011, Kang, H.M., Kim, C.W., Cho, T.H., Kim, D.G. Yoon, S.H. and Kwon, H.B., "The Aero-acoustic Analysis of Pantograph of A High Speed Train," 2011 Fall Conference of the Korean Society for Computational Fluids Engineering, pp.314-319.
1969, Ffowcs Williams, J.E. and Hawkings, D.L., "Sound Generated by turbulence and Surfaces in Arbitrary Motion," Philosophical Transactions for the Royal Society of London, Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol264, Issue 1151, pp.321-342.

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Cho, T.H., Hwang, E.S., Kim, Y.W., Kim, C.W. and Choi, Y.M., "Aeroacoustic test for the high speed train pantograph in the KARI LSWT open jet test section," The korea society for aeronautical & Space Sciences 2014 spring conference, pp.175-178.

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