[논문]배플 플레이트를 가지는 고속철도 터널 출구로부터 방사하는 미기압파에 관한 연구

김태호; 김동현; 김희동

doi:10.5407/jksv.2018.16.3.008

배플 플레이트를 가지는 고속철도 터널 출구로부터 방사하는 미기압파에 관한 연구
Study on Impulse Wave Radiated from High Speed Railway Tunnel Exit with Baffle Plate 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.16 no.3, 2018년, pp.8 - 15

김태호 (School of Mechanical Engineering, Andong National Univ.) , 김동현 (Korea Railroad Research Institute) , 김희동 (Department of Mechanical Engineering, Andong National Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the high speed railway becomes more common, new environmental problems such as noise around tunnels are appearing. When a high speed train enters a tunnel, a compression wave in the tunnel is generated and propagated toward the tunnel exit at a sonic speed. When it reaches the tunnel exit, a part of compression wave radiates as a pulse typed impulse wave to the outside of tunnel. The impulse wave has an explosive noise. When the impulse wave is propagated around a village, it induces a serious noise or other problems to the resident. In order to solve these engineering problems, it is important to investigate the radiation characteristics of the impulse wave radiated from the tunnel exit. In this study, the effect of the length and angle of the baffle plate at the tunnel exit on the impulse wave radiated from the tunnel exit was investigated by numerical analysis. As a results, the baffle plate greatly affected the propagation of impulse wave.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Experimental setups used for validating CFD model
그림 Fig. 2. Comparison of pressure histories between experimental and CFD results inside the low pressure section (Ms =1.1)
표 Table 1. Numerical schemes
그림 Fig. 3. Comparison of pressure histories between experimental and CFD impulse waves at different Ms (r=2D)
그림 Fig. 4. Comparison between experimental and CFD density contours (Ms=1.1)
그림 Fig. 5. Simplified computation domain and boundary conditions
그림 Fig. 6. Pressure histories of impulse wave at locations with different angles at a specific radius of r=2D with different baffle length
그림 Fig. 7. Density contours of impulse waves with the length of baffle plate
그림 Fig. 8. Pressure histories of impulse wave with different baffle angle at different specific radiuses
그림 Fig. 9. Generation and propagation of impulse wave from a tunnel exit with a baffle plate

AI 본문요약
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문제 정의

3(b)의 수치해석 결과로부터 미기압파의 최대값 및 압력 파형 관점에서 Euler 식을 사용한 비점성모델의 결과가 N-S 식을 사용한 점성모델의 결과를 잘 재현하였다. 따라서 본 수치해석에서는 계산 시간을 줄이기 위하여 비점성모델을 사용하여 계산을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 터널 출구에서 방사하는 미기압파에 대한 터널 출구에 설치되는 배플 플레이트의 영향을 조사하였다. 우선 수치해석 기법을 검증하기 위하여 종래 발표된 실험결과와 비교 검증을 수행하였다.
본 연구에서는 수치해석을 이용하여 터널 출구에 장착되는 배플 플레이트의 형상이 터널 출구로부터 방사하는 미기압파에 미치는 영향을 조사하였다. 본 해석은 상용코드를 이용하여 기존의 실험 결과를 잘 예측하였다.

가설 설정

본 수치해석에서는 상용코드인 ANSYS Fluent 17.0을 이용하였으며, 작동유체로는 이상기체로 가정한 공기를 사용하였다. 난류모델은 비점성모델과 k-ω SST (shear stress transport)모델을 비교 검토하였다.

제안 방법

2차원 축대칭 터널 형상에 대하여 실험과 동일하게 충격파의 서로 다른 마하수(Mach number)에 대하여 조사하였다. 터널 출구에 장착한 배플 플레이트와 터널에는 벽면조건을 주었으며, 터널 출구 외부 영역의 경계면에는 pressure outlet 조건을 사용하였다.
난류모델은 비점성모델과 k-ω SST (shear stress transport)모델을 비교 검토하였다.
터널 출구에서 방사하는 미기압파와 터널 입구에서 발생하는 압축파의 관계를 조사하여, 미기압파의 최대값이 압축파의 최대 압력구배에 비례하는 결과를 얻었다. 또한 터널 출구로부터 방사하는 미기압파의 폭발음과 밀접한 관계가 있는 미기압파의 최대값을 줄이기 위하여 터널 출구 부에 소음기 역할을 하는 공간을 설치하여 평가도 수행하였다. Setoguchi 등⁽⁵⁾은 수치해석 기법을 통하여 능동제어(active control)를 활용하여 미기압파를 효과적으로 저감할 수 있다고 보고하였다.
본 수치해석 방법의 정확성을 검증하기 위하여,충격파의 마하수에 대하여 터널 내부에서의 압력 파형과 터널 출구 외부에서의 미기압파의 압력 파형에 대하여 각각 참고문헌의 실험결과와 수치해석 결과를 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 수치해석을 이용하여 터널 출구에 장착되는 배플 플레이트의 형상이 터널 출구로부터 방사하는 미기압파에 미치는 영향을 조사하였다. 본 해석은 상용코드를 이용하여 기존의 실험 결과를 잘 예측하였다. 터널 출구 주변으로방사하는 미기압파에 대하여 배플 플레이트의 길이와 각도 변화가 미치는 영향을 조사한 결과는 다음과 같다.
터널 출구로부터 방사하는 미기압파는 충격파관 출구 단면으로부터 특정 거리 (r/D=2)에서 측정하였다. 수치해석에서는 실험과 동일한 위치에서 내부를 전파하는 충격파의 압력 파형과 외부로 방사하는 미기압파의 압력 파형을 계산하였다.
터널 내부에서 발생하는 압축파에 의한 압력상승은 충격파관의 고압부와 저압부의 압력차로 재현하였다. 실제 실험에서 충격파관 출구 부근 두 곳에서 충격파(shock wave)의 압력파형을 측정하였다. 터널 출구로부터 방사하는 미기압파는 충격파관 출구 단면으로부터 특정 거리 (r/D=2)에서 측정하였다.
1을 구현하였다. 실험에서 다이어프램 파열 과정을 수치해석에서는 초기에 다이어프램을 벽면조건에서 순간적으로 유동이 가능한 내부 영역으로 전환되도록 정의하여 해석을 수행하였다.
Norris 등⁽⁶⁾은 배플 플레이트를 장착한 터널 출구로부터 방사하는 미기압파에 대한 연구를 수행하였다. 압축파의 파장과 관련하여 개구단 보정(openend correction)과 같은 미기압파 전파 특성과 관련된 변수들의 관계를 조사하였다.
실제 실험에서 충격파관 출구 부근 두 곳에서 충격파(shock wave)의 압력파형을 측정하였다. 터널 출구로부터 방사하는 미기압파는 충격파관 출구 단면으로부터 특정 거리 (r/D=2)에서 측정하였다. 수치해석에서는 실험과 동일한 위치에서 내부를 전파하는 충격파의 압력 파형과 외부로 방사하는 미기압파의 압력 파형을 계산하였다.
우선 수치해석 기법을 검증하기 위하여 종래 발표된 실험결과와 비교 검증을 수행하였다. 터널 출구로부터의 미기압파 방사 특성에 영향을 미치는 배플 플레이트의 영향을 고려하기 위하여 배플 플레이트의 길이 및 각도를 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 본 연구의 결과로부터 배플 플레이트에 의하여 음의 지향성이 강하게 나타는 것을 알 수 있었다.
2차원 축대칭 터널 형상에 대하여 실험과 동일하게 충격파의 서로 다른 마하수(Mach number)에 대하여 조사하였다. 터널 출구에 장착한 배플 플레이트와 터널에는 벽면조건을 주었으며, 터널 출구 외부 영역의 경계면에는 pressure outlet 조건을 사용하였다. 실험에서 저압부에 해당되는 영역과 미기압파가 방사하는 터널 출구 외부 영역에는 대기압으로 초기화 하였다.
또한 그림에는 해석에 사용된 경계조건도 함께 나타내었다. 터널 출구에서의 배플 플레이트 형상 변화에 대한 미기압파의 영향을 조사하기 위하여 터널 출구로부터 떨어진 반경 r=2D 위치에서 압력파의 파형을 계산하였다.
5D, D, 2D, 5D 및 무한대(infinite)에 대하여 계산을 수행하였으며, L_d는 45°의 각도를 가지는 배플 플레이트의 길이로 D, 2D와 5D의 변화에 대하여 계산하였다. 해석에서 입구 조건으로 UDF(user defined function)를 이용한 Pressure inlet 조건을 적용하여, 터널 출구의 배플 플레이트 형상이 미기압파에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 그림에는 해석에 사용된 경계조건도 함께 나타내었다.

데이터처리

본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 터널 출구에서 방사하는 미기압파에 대한 터널 출구에 설치되는 배플 플레이트의 영향을 조사하였다. 우선 수치해석 기법을 검증하기 위하여 종래 발표된 실험결과와 비교 검증을 수행하였다. 터널 출구로부터의 미기압파 방사 특성에 영향을 미치는 배플 플레이트의 영향을 고려하기 위하여 배플 플레이트의 길이 및 각도를 변화시키면서 수치해석을 수행하였다.

이론/모형

본 수치해석에서는 Euler 식의 비점성모델을 적용함으로써, 터널 내부에서 점섬효과를 무시할 수 있으므로 계산영역은 Fig. 5와 같이 간략화 하여 해석을 수행하였다. 그림에서 L_f는 배플 플레이트의 길이이며 0, 0.

성능/효과

(a)로부터 터널 출구 중심으로부터 r=2D와 θ=30°인 위치에서 터널 출구에 배플 플레이트를 설치하게 되면 미기압파의 최대값이 증가하는 것을 알 수 있다.
터널 출구로부터의 미기압파 방사 특성에 영향을 미치는 배플 플레이트의 영향을 고려하기 위하여 배플 플레이트의 길이 및 각도를 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 본 연구의 결과로부터 배플 플레이트에 의하여 음의 지향성이 강하게 나타는 것을 알 수 있었다. 이는 터널 출구 주변 지형 조건에 따라 방음대책이 필요할 것으로 사료된다.
또한 그림으로부터 근거리(r=2D 이하)에서는 미기압파의 압력 파형 및 최대값은 45°의 각도를 가지는 배플 플레이트의 L_d값에 영향을 받지 않았다. 전체적으로 배플 플레이트 각도에 상관없이 미기압파의 최대값은 터널 출구로부터 멀어질수록 급격히 감소하였다.
6(b)~(d)에서와 같이 방위각 θ가 증가할수록 배플 플레이트 길이가 짧은 경우(L_f=1D 이하)가 긴 경우에 비하여 미기압파의 최대값이 감소하였으며,특히 θ=90°에서는 배플 플레이트를 장착하지 않은 경우보다 미기압파의 최대값이 감소하였다. 전체적으로 보면 터널 출구로부터 특정 반경의 거리에서 방위각에 따라 미기압파의 최대값이 감소하는 것으로부터 음의 지향성(directivity)이 존재하는 것을 알 수 있다.
3은 터널 출구로부터 특정 거리(r=2D)에 위치한 측정점에서 실험과 수치해석을 통하여 마하수 변화에 따른 미기압파의 압력 파형을 얻었다. 터널 출구에서 발생하는 폭발음과 밀접한 관계가 있는 미기압파의 최대값 관점에서 수치해석 결과가 실험 결과를 잘 예측하였다. 또한 Fig.
은 충격파관(shock tube)을 활용하여 터널 출구에서 방사하는 미기압파에 대한 연구를 수행하였다. 터널 출구에서 방사하는 미기압파와 터널 입구에서 발생하는 압축파의 관계를 조사하여, 미기압파의 최대값이 압축파의 최대 압력구배에 비례하는 결과를 얻었다. 또한 터널 출구로부터 방사하는 미기압파의 폭발음과 밀접한 관계가 있는 미기압파의 최대값을 줄이기 위하여 터널 출구 부에 소음기 역할을 하는 공간을 설치하여 평가도 수행하였다.

후속연구

45°의 배플 플레이트 각도를 가지는 경우가 배플 플레이트가 없는 경우와 90°의 배플 플레이트가 있는 경우에 비하여 미기압파의 최대값이 높게 나타났지만, 미기압파의 폭은 증가하였다. 본 연구로부터 얻어진 결과들은 터널 출구에서 배플 플레이트의 영향을 고려하여 충격음을 수반하지 않는 미기압파의 최대값과 폭의 허용기준 마련에 기초 자료를 제공할 것으로 기대한다.
일반적으로 철도소음에는 차륜의 전동음, 차체를 지나는 공력소음(aerodynamic noise) 등 여러 소음원이 있으나, 열차가 터널 입구에 돌입 시 반대편의 터널 출구에서는 지금까지의 소음과는 전혀 다른 성질의 소음, 즉 충격음(impulsive noise)이 주변으로 전파되어 문제화되고 있다. 이 소음은 열차의 속도와 매우 깊은 관련을 가지므로 열차의 고속화와 병행하여 반듯이 연구되어야 할 공학적 과제로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미기압파란?	한편, 압축파가 터널 출구에서 반사될 때, 일부는 펄스 형태의 압력파로 되어 터널 외부로 방사하여 충격음을 발생시키면서 주변으로 전파하게 된다. 이 펄스형태의 압력파를 미기압파라고 한다. 이 미기압파는 충격음 뿐만 아니라 저주파 진동도 수반하면서 주변으로 전파한다.
	열차가 터널 입구 돌입시 반대편 출구에서 충격음(impulsive noise)이 발생하는 메커니즘은?	이와 같은 충격음의 발생 메커니즘은 열차가 고속으로 터널 입구에 돌입하게 되면, 열차의 피스톤 작용에 의해 열차의 전면에 압축파가 형성된다. 이 압축파는 터널내를 전파하여 터널 출구에서 반사하게 된다. 이 때 반사파는 팽창파(expansion wave)로 되어 터널의 입구쪽으로 전파하여, 진행하는 열차와 복잡한 간섭을 일으키게 된다.
	철도소음원에는 어떤 것들이 있는가?	일반적으로 철도소음에는 차륜의 전동음, 차체를 지나는 공력소음(aerodynamic noise) 등 여러 소음원이 있으나, 열차가 터널 입구에 돌입 시 반대편의 터널 출구에서는 지금까지의 소음과는 전혀 다른 성질의 소음, 즉 충격음(impulsive noise)이 주변으로 전파되어 문제화되고 있다. 이 소음은 열차의 속도와 매우 깊은 관련을 가지므로 열차의 고속화와 병행하여 반듯이 연구되어야 할 공학적 과제로 사료된다.

참고문헌 (7)

Kim, H. D., Setoguchi, T., Kashimura, H. and Raghunathan, R., 2001, "Augmentation of the Magnitude of the Impulse Wave Discharging from a Tube, IMechE Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol. 215(2), pp.191-199.

상세보기
Kim, H. D. and Setoguchi, T., 1999, "Study of the Discharge of Weak Shocks from an Open End of a Duct," Journal of Sound and Vibration, Vol. 226(5), pp.1011-1028.

상세보기
Raghunathan, R., Kim, H. D. and Setoguchi, T., 2002, "Aerodynamics of High-Speed Railway Train," Progress in Aerospace Science, Vol. 38(6), pp.469-514.

상세보기
Kim, H. D., Setoguchi, T. and Matsuo, K., 1997, "Reduction of Impulse Noise Caused by Unsteady Compression Wave," JSME International Journal, Vol. 40(20), pp.223-229.

상세보기
Setoguchi, T., Takao, M., Yu, S. and Hirahara, H., 1996, "Numerical Simulation of a Negative Impulse Wave," Journal of Thermal science, Vol. 5(3), pp.150-157.
Norris, A. N. and Sheng, I. C., 1989, "Acoustic Radiation from a Circular Pipe with an Infinite Flange," Journal of Sound and Vibration, Vol. 135(1), pp.85-93.

상세보기
Hieke, M., Kaltenbach, H. J. and Tielkes, T., 2009, "Prediction of Micro-Pressure Wave Emissions from High-Speed Railway Tunnels," 13th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, New Brunswick, New Jersey, pp.487-499.

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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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