[논문]호남-제주 해저터널 가상설계의 공기압력 제어 덕트가 열차 주행에 미치는 영향에 대한 수치해석 연구

서상연; 하희상

doi:10.14481/jkges.2016.17.8.17

[국내논문] 호남-제주 해저터널 가상설계의 공기압력 제어 덕트가 열차 주행에 미치는 영향에 대한 수치해석 연구
A Numerical Study on the Effect of Pressure Relief Ducts on the Normal Pressure in a Preliminary Design of Honam-Jeju Subsea Tunnel 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.17 no.8, 2016년, pp.17 - 27

서상연 (GS E&C) , 하희상 (GS E&C)

초록
AI-Helper

최근에는 고속 열차와 관련된 인프라가 발전한 유럽, 일본 같은 고속철도 선진국뿐만 아니라 미국과 중국에서도 고속철도 건설에 대한 구체적인 계획이 증가하고 있으며, 국내의 경우 수도권 광역급행철도(GTX)와 같은 대심도 지하 교통망의 건설이 추진되고 있다. 열차가 고속으로 주행할 경우 발생하는 공기저항을 최대한 감소시키기 위하여 열차의 선두부는 유선형으로 설계된다. 열차가 터널 내로 진입할 때, 터널 내에서 발생한 공기저항으로 인하여 열차가 터널을 주행할 때 개활지에서 주행하는 경우보다 훨씬 큰 동력이 요구된다. 따라서 일반적으로 열차가 터널로 진입할 때 공기저항 저감을 위하여 열차의 주행속도를 감소시킨다. 이렇게 열차의 속도를 감소시킬 경우 고속 열차의 운송 능력 및 장점이 감소되기 때문에 터널 내에서 열차의 주행 시에 발생하는 공기저항을 감소시키는 설비가 필수적이다. 이 연구에서는 터널 내에서 열차의 고속 주행을 위해 필요한 공기압력 제어 시스템의 효과를 분석하기 위하여 터널의 단면적 및 공기압력 제어 덕트의 단면적과 덕트의 간격이 열차 주행으로 인한 공기저항에 미치는 영향을 1차원 네트워크 수치해석 프로그램을 이용하여 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-speed trains have been developed widely in European countries and Japan in order to transport large quantity of people and commodities in short time. Additionally, a high speed train is one of the most desirable and environmentally friendly transportation methods. When a high speed train enters a tunnel, aerodynamic resistance is generated suddenly. This resistance causes micro pressure wave and discomfort to passengers. Due to this aerodynamic pressure against the train, a large amount of traction is required for the operation of a train in a tunnel. Therefore, it is essential to incorporate a pressure relief system in a tunnel in order to reduce aerodynamic resistance caused by a high-speed train. A pressure relief duct and a vertical shaft are representative measures in a tunnel. This study represents the effect of pressure relief ducts in order to alleviate positive and negative normal pressures acting on a train. One-dimensional numerical simulations were carried out in order to estimate the effect of pressure relief systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 연구에서는 공기압력 제어 덕트가 터널 내 열차에 작용하는 공기저항에 미치는 영향을 분석하기 위하여 THERMOTUN을 이용한 1차원 수치해석을 수행하였다. 열차가 주행하는 두 본선 터널 사이를 연결하는 공기압력 제어 덕트의 단면적 및 간격, 그리고 본선 터널의 단면적 변화에 따라 열차에 작용하는 정압력 및 부압력을 분석하였다.
스위스의 The New Rail Link MattstettenRothrist 노선의 경우 터널 구간에 두 개의 수직구를 설치하여 터널 내에서 발생하는 공기저항을 감소시켰으며, 이로 인하여 터널 내 열차가 200km/h로 주행할 수 있도록 설계되었다(Reinke & Busslinger, 2011). 이 연구에서는 터널 내에서 열차의 고속 주행에 필수적인 공기압력 제어 시스템의 효과를 평가하기 위하여 공기압력 제어 덕트가 열차 주행으로 인한 공기저항에 미치는 영향을 분석하였다.
이 연구에서는 호남-제주 해저터널 가상설계안을 바탕으로 터널을 모델링 하였다. 호남-제주 해저터널은 현재 고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소 기술 개발 연구단에서 진행하고 있는 가상설계가 진행 중이다.

가설 설정

모든 Case는 길이 35km의 터널을 KTX 산천 열차가 속력 350km/h로 주행하는 경우를 가정하였다. 공기압력 덕트가 없을 때의 압력변화를 살펴보기 위한 Case 25를 제외한 나머지 모든 경우에는 단선 병렬 터널 내 열차가 교행하는 경우를 가정하였다. Case 1～12까지는 터널의 내공 단면적이 42.
THERMOTUN을 이용하여 터널 내에 발생하는 공기압력의 영향을 살펴보기 위하여 터널의 단면적, 덕트의 단면적 및 간격 등을 달리하여 총 25개의 수치해석 Case를 설정하였다(Table 2, Table 3). 모든 Case는 길이 35km의 터널을 KTX 산천 열차가 속력 350km/h로 주행하는 경우를 가정하였다. 공기압력 덕트가 없을 때의 압력변화를 살펴보기 위한 Case 25를 제외한 나머지 모든 경우에는 단선 병렬 터널 내 열차가 교행하는 경우를 가정하였다.
25m²이며 터널의 길이는 35km로 설정하였다. 이 터널은 단선 병렬 터널이며 상행선 및 하행선 터널은 35m 간격으로 평행하게 굴착되었다고 가정하였다. 터널 내 열차는 KTX 산천 차량을 대상으로 하였으며 터널 및 열차에 관한 상세 모델링 정보는 Table 1에 나타내었다.

제안 방법

따라서 Case 1～12와 13～24의 결과를 비교하면 터널 단면적에 따른 영향을 분석할 수 있다. 30m 간격의 두 병렬 터널 사이에 설치된 압력 제어 덕트의 면적이 터널 내 공기압력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 공기압력 제어 덕트의 면적 0.7m², 1.0m², 2.0m², 3.14m²의 각 경우에 대한 시뮬레이션 Case를 설정하였다. 또한, 덕트의 간격에 따른 영향을 분석하기 위하여 간격 250m, 275m, 300m에 따른 수치해석을 수행하였다.
THERMOTUN 시뮬레이션 Case 중 Case 1～Case 12까지는 본선 터널의 단면적이 42.59m²일 때의 공기압력 변동량을 분석하였고, Case 13～Case 24까지는 본선 터널의 단면적이 59.25m²일 때의 공기압력 변동량을 수치해석으로 계산하였다. 따라서 Case 1과 Case 13을 비교하면 동일 덕트 면적과 간격일 경우 본선 터널의 단면적이 열차에 작용하는 공기압력의 크기에 미치는 영향을 비교할 수 있다.
THERMOTUN을 이용하여 터널 내에 발생하는 공기압력의 영향을 살펴보기 위하여 터널의 단면적, 덕트의 단면적 및 간격 등을 달리하여 총 25개의 수치해석 Case를 설정하였다(Table 2, Table 3). 모든 Case는 길이 35km의 터널을 KTX 산천 열차가 속력 350km/h로 주행하는 경우를 가정하였다.
14m²의 각 경우에 대한 시뮬레이션 Case를 설정하였다. 또한, 덕트의 간격에 따른 영향을 분석하기 위하여 간격 250m, 275m, 300m에 따른 수치해석을 수행하였다.
이 연구에서는 공기압력 제어 덕트가 터널 내 열차에 작용하는 공기저항에 미치는 영향을 분석하기 위하여 THERMOTUN을 이용한 1차원 수치해석을 수행하였다. 열차가 주행하는 두 본선 터널 사이를 연결하는 공기압력 제어 덕트의 단면적 및 간격, 그리고 본선 터널의 단면적 변화에 따라 열차에 작용하는 정압력 및 부압력을 분석하였다. 수치해석 결과, 터널 본선의 단면적과 공기압력 제어 덕트의 단면적 및 간격은 터널을 주행하는 열차의 공기저항에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
THERMOTUN은 철도 터널에서 발생하는 공기압력 변동사항을 수치적으로 해석하기 위하여 DTR(Dundee Tunnel Research)에서 개발된 1차원 수치해석 프로그램이며, 여러 철도 터널 설계 및 문헌을 통하여 정밀한 해석으로 검증을 받은 프로그램이다(Reinke & Busslinger, 2011). 이 프로그램은 터널을 선으로 표현하는 1차원 네트워크 모델링을 사용하며 터널 내에서 발생하는 공기의 유동속도, 주행 중 열차에 작용하는 공기압력, 정압과 부압으로 인한 압력 차이, 열차 주행에 필요한 동력비 등을 계산할 수 있다. 또한, 터널 내에 설치된 팬이나 댐퍼의 성능을 고려한 모델링을 적용할 수 있으며, 터널 내에서 공기 마찰로 인하여 발생하는 열의 영향 또한 계산이 가능하다.
열차 주행으로 인하여 발생하는 정압 및 부압으로 인한 압력 차이를 예측하기 위하여 수치해석 방법이 주로 사용된다(Reinke & Busslinger, 2011). 터널을 1차원 네트워크로 모델링 하는 1차원 수치해석으로도 충분히 신뢰할만한 압력차 해석이 가능하며, 이 연구에서 1차원 수치해석 프로그램인 THERMOTUN을 이용하여 고속 열차 주행 시 터널 내부에 발생하는 압력차를 계산하였다.

대상 데이터

터널 내에서 위험요소가 발생할 경우 안전성을 확보하기 위하여 복선 터널이 아닌 단선 병렬 터널로 계획되고 있으며, 공기압력 감소 및 환기를 위한 수직구를 설치하기가 힘든 해저터널의 특성상 공기압력 감소를 위하여 단선 터널 사이에 공기압력 제어 덕트의 설치가 계획되고 있다. 대상 터널은 쉴드 TBM으로 굴착한 원형 단면의 터널로 터널의 단면적은 57.25m²이며 터널의 길이는 35km로 설정하였다. 이 터널은 단선 병렬 터널이며 상행선 및 하행선 터널은 35m 간격으로 평행하게 굴착되었다고 가정하였다.
이 터널은 단선 병렬 터널이며 상행선 및 하행선 터널은 35m 간격으로 평행하게 굴착되었다고 가정하였다. 터널 내 열차는 KTX 산천 차량을 대상으로 하였으며 터널 및 열차에 관한 상세 모델링 정보는 Table 1에 나타내었다. Table 1의 모델링 정보는 일차원 수치해석 프로그램인 THERMOTUN에 사용된 각종 수치들을 나타낸다.

성능/효과

즉 터널을 주행하는 열차의 공기압력을 감소시키기 위한 방안 중 덕트의 면적 및 간격을 조절하는 것보다 터널 본선의 단면을 증가시키는 것이 압력 제어 효과가 더 큼을 알 수 있다.
(1) 공기압력 제어 덕트의 면적이 증가할수록 열차에 작용하는 최대 정압력(Max. Positive normal pressure)이 감소하고 최대 부압력(Max. Negative normal pressure)이 증가한다. 또한, 덕트가 배치된 간격이 짧을수록 덕트를 통하여 소산되는 공기압력의 양이 증가하고 이로 인하여 덕트의 간격이 증가할수록 최대 정압력이 증가하며 최대 부압력이 감소한다.
(2) 열차가 터널에 진입할 때 터널의 입구 부근에서 열차에 작용하는 정압력이 크게 증가하고 이후 열차가 터널을 주행하면서 정압력이 점차 감소한다. 본선 터널 사이에 공기압력 제어 덕트가 설치되지 않은 경우 정압과 부압이 매끄러운 형상으로 분포하게 된다.
(3) 터널 본선의 단면적이 변화할 경우 열차에 작용하는 공기저항이 크게 변동된다. 터널의 본선 단면적을 42.
따라서 Case 1과 Case 13을 비교하면 동일 덕트 면적과 간격일 경우 본선 터널의 단면적이 열차에 작용하는 공기압력의 크기에 미치는 영향을 비교할 수 있다. Table 5에 나타난 바와 같이 터널의 단면적이 42.59m²에서 57.25m²로 증가할 경우 최대 정압력은 최소 27.5%에서 최대 30.2%까지 평균 28.8% 감소하였고, 최대 부압력은 최소 29%, 최대 30.8% 감소하여 평균 30.8% 감소하였다. 덕트의 단면적 및 간격에 의하여 열차에 작용하는 공기압력의 크기가 0%～4.
Negative normal pressure)이 증가한다. 또한, 덕트가 배치된 간격이 짧을수록 덕트를 통하여 소산되는 공기압력의 양이 증가하고 이로 인하여 덕트의 간격이 증가할수록 최대 정압력이 증가하며 최대 부압력이 감소한다. 따라서 덕트의 단면적 및 간격은 터널 내 열차에 작용하는 정압력 및 부압력의 변동에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
열차가 주행하는 두 본선 터널 사이를 연결하는 공기압력 제어 덕트의 단면적 및 간격, 그리고 본선 터널의 단면적 변화에 따라 열차에 작용하는 정압력 및 부압력을 분석하였다. 수치해석 결과, 터널 본선의 단면적과 공기압력 제어 덕트의 단면적 및 간격은 터널을 주행하는 열차의 공기저항에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

후속연구

(4) 터널 내에서 발생하는 공기압력 저항은 터널 단면적 결정 및 터널의 배치, 형상에 있어 중요한 역할을 하므로 터널 설계 시 공기압력에 의한 영향을 면밀히 분석하여야 한다. 터널 내 열차 주행으로 인한 공기저항을 감소시키기 위하여 터널의 단면적을 증가시키기 용이하지 않을 경우 단선 터널 사이를 연결하는 공기압력 제어덕트를 통하여 공기저항을 감소시킬 수 있으며, 공기압력 제어 덕트의 단면적 및 설치 간격에 따른 공기압력 제어 효과에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (8)

Atkins, W. S. (1999), Piston relief ducts for AlpTransit Gotthard, The Channel Tunnel Experience, Institution of Engineering and Technology, Conference Publication (Book 433), pp. 20-23.
Barthes, H., Bordas, A. and Bouillot, D. (1994), Tunnels - special works, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, The Institution of Civil Engineers, Engineering Channel Tunnel, Part 3: French Sectoin, pp. 63-75.
Fairbairn, A. G. (1995), Tunnel ventilation, including aerodynamic, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, The Institution of Civil Engineers, Engineering Channel Tunnel, Part 4: Transport Systems, pp. 32-41.
Henson, D. (1995), Aerodynamics, ventilation and cooling the tunnel, Engineering the Channel Tunnel, Kirkland, J., E&FN SPON/EUROTUNNEL, pp. 217-220.
Reinke, P. and Busslinger, A. (2011), Improvement of aero and thermodynamics of rail tunnels by cross-connections with shut-off devices, Research 2011, HBI Haerter Ltd., Swiss, pp. 38-43.
Southwood, A. J. (1994), The channel tunnel : A designer's perspective, A. J., Mott MacDonald, pp. 11-13.
UIC (2002), Measures to ensure the technical compatibility of high-speed trains, Technical document, Railway Technical Publications UIC leaflet 660, pp. 28-29.
UIC (2005), Determination of railway tunnel cross-sectional area on the basis of aerodynamic considerations, Technical document, Railway Technical PublicationsUIC leaflet 779-11, pp. 13-15.

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증