최근 세계 각국의 고속열차들은 속도 향상 측면에서 비약적인 발전을 보이고 있으며, 국내에서도 2007년부터 '차세대 고속철도 기술개발 사업'을 통해 최고속도 400km/h급의 고속열차 개발을 진행 중에 있다. 고속열차의 주행속도가 증가함에 따라 이전에는 제기되지 않았던 공기저항, 공력소음 문제, 열차의 교행 및 측풍에 의해 발생하는 압력변동, 터널출구에서 발생하는 미기압파 등의 문제들이 대두되고 있으며 이와 같은 문제들은 열차의 고속화를 제약하는 요인이 된다. 특히, 고속열차의 전두부 형상은 이러한 공기역학적 문제들과 밀접하게 연결되어 있으며, 팬터그래프의 소음 및 안정적인 집전 성능 확보 등도 속도 향상을 위해 반드시 고려해야하는 사항이다. 본 논문에서는 고속열차의 속도향상 노력의 일환으로 진행되고 있는 '공력해석 향상 기술'의 연구 내용과 더불어, 터널 미기압파 저감을 위한 전두부 형상 최적화 결과와 팬터그래프 공력성능 향상을 위한 강건 최적화 결과를 소개한다.
최근 세계 각국의 고속열차들은 속도 향상 측면에서 비약적인 발전을 보이고 있으며, 국내에서도 2007년부터 '차세대 고속철도 기술개발 사업'을 통해 최고속도 400km/h급의 고속열차 개발을 진행 중에 있다. 고속열차의 주행속도가 증가함에 따라 이전에는 제기되지 않았던 공기저항, 공력소음 문제, 열차의 교행 및 측풍에 의해 발생하는 압력변동, 터널출구에서 발생하는 미기압파 등의 문제들이 대두되고 있으며 이와 같은 문제들은 열차의 고속화를 제약하는 요인이 된다. 특히, 고속열차의 전두부 형상은 이러한 공기역학적 문제들과 밀접하게 연결되어 있으며, 팬터그래프의 소음 및 안정적인 집전 성능 확보 등도 속도 향상을 위해 반드시 고려해야하는 사항이다. 본 논문에서는 고속열차의 속도향상 노력의 일환으로 진행되고 있는 '공력해석 향상 기술'의 연구 내용과 더불어, 터널 미기압파 저감을 위한 전두부 형상 최적화 결과와 팬터그래프 공력성능 향상을 위한 강건 최적화 결과를 소개한다.
Recent high-speed trains around the world have achieved remarkable improvement in speed. In Korea, the new high-speed train with maximum speed of 400km/h has been developing through the 'Future High-Speed Rail System Project'. The improvement in train speed brings numerous aerodynamic problems such ...
Recent high-speed trains around the world have achieved remarkable improvement in speed. In Korea, the new high-speed train with maximum speed of 400km/h has been developing through the 'Future High-Speed Rail System Project'. The improvement in train speed brings numerous aerodynamic problems such as strong aerodynamic resistance, noise, drastic pressure variation due to the crosswind or passing by, micro-pressure wave at tunnel exit, and so on. Especially, the nose shape of high-speed train is closely related to the most of the aerodynamic problems. Also the pantograph has to be considered for noise prevention and detachment problems. In this paper, the project, 'Research on the Aerodynamic Technology Advancement of the High-Speed EMU' is introduced briefly, which is one of the efforts for the speed improvement of the 'HEMU400x'. Finally, two main results of train nose and pantograph will be shown. First, the optimization of the cross-sectional area distribution of the high-speed train nose to reduce tunnel micro-pressure wave, and second, robust design optimization of the panhead shape of a pantograph.
Recent high-speed trains around the world have achieved remarkable improvement in speed. In Korea, the new high-speed train with maximum speed of 400km/h has been developing through the 'Future High-Speed Rail System Project'. The improvement in train speed brings numerous aerodynamic problems such as strong aerodynamic resistance, noise, drastic pressure variation due to the crosswind or passing by, micro-pressure wave at tunnel exit, and so on. Especially, the nose shape of high-speed train is closely related to the most of the aerodynamic problems. Also the pantograph has to be considered for noise prevention and detachment problems. In this paper, the project, 'Research on the Aerodynamic Technology Advancement of the High-Speed EMU' is introduced briefly, which is one of the efforts for the speed improvement of the 'HEMU400x'. Finally, two main results of train nose and pantograph will be shown. First, the optimization of the cross-sectional area distribution of the high-speed train nose to reduce tunnel micro-pressure wave, and second, robust design optimization of the panhead shape of a pantograph.
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문제 정의
본 논문에서는 고속열차에서 발생되는 여러 공기역학적 문제 중 전두부 공력형상 모델링 기법과 미기압파를 최소화하기 위한 최적 전두부 단면적 분포 및 팬터그래프의 팬헤드에 대한 강건 최적 설계 연구 결과를 소개한다.
본 연구에서는 전산유체역학 해석과 최적화 기법을 이용하여 팬터그래프의 팬헤드 단면 형상에 대한 강건 최적 설계를 수행하였다.[5] 팬헤드의 형상은 그림 8에서와 같이 기본 타원형에서 앞쪽 곡률(n), 뒤쪽 곡률(m) 그리고 축 길이(a1, a2)와 같은 설계 변수에 의해 정의하였다.
제안 방법
Latin Hypercube 샘플링을 이용해 크리깅 모델을 구성한 후, 유전 알고리즘을 이용한 강건 최적화 과정을 수행하였다. 팬헤드의 안정성과 강건성을 위해 주행속도가 350km/h일 때 팬헤드의 Cl,max 를 200N이하인 조건에서 Cd와 Cl 진폭, #를 최소화 하였다.
강건 최적 설계된 팬헤드 형상에 대하여, 공기역학적 특성을 더욱 정확히 파악하고 측풍과 같은 외란에 대한 원천 기술을 개발하기 위하여 풍동 실험을 수행하였다. 먼저 가속되는 유동 하에서의 유동특성을 검토하기 위하여 서울대 아음속 교육용 풍동에서 기본실린더 형상을 가지고 연구하였으며, 자유류의 속도가 가속되는 유동 하에서는 박리점의 이동 및 모멘텀 공급으로 저항이 일반적인 경우보다 낮은 레이놀즈수에서는 더 작게, 높은 레이놀즈수에서는 더 크게 나타날 수 있음을 그림 11과 같이 확인할 수 있었다.
공력형상 최적설계를 효과적으로 수행하기 위해 형상함수를 이용한 고속열차 전두부 모델링기법을 개발하였다. 본 기법에서는 열차의 각 세부 형상을 식 (1)과 같은 함수로 정의하여 이를 연결함으로써 3차원의 전체 형상을 구현할 수 있다.
또한 강건 최적 설계된 팬헤드 기본 형상에 대하여 공군사관학교 교육용 풍동에서 각 형상에 대한 실제 크기(두께 25mm, 길이 35mm~150mm)의 풍동실험 모델을 설치하여 공력특성 실험과 스모그 와이어 및 PIV 가시화 실험을 수행하였다. 그 결과를 보면 현재 운용중인 팬헤드 기본 형상인 사각주 형상(그림 12,15)과 원형 실린더 형상(그림 13,16)에서는 물체의 후류에서 주기적인 볼텍스가 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 진동을 발생시켜 구조물의 진동수와 간섭을 일으킬 수도 있다.
강건 최적 설계된 팬헤드 형상에 대하여, 공기역학적 특성을 더욱 정확히 파악하고 측풍과 같은 외란에 대한 원천 기술을 개발하기 위하여 풍동 실험을 수행하였다. 먼저 가속되는 유동 하에서의 유동특성을 검토하기 위하여 서울대 아음속 교육용 풍동에서 기본실린더 형상을 가지고 연구하였으며, 자유류의 속도가 가속되는 유동 하에서는 박리점의 이동 및 모멘텀 공급으로 저항이 일반적인 경우보다 낮은 레이놀즈수에서는 더 작게, 높은 레이놀즈수에서는 더 크게 나타날 수 있음을 그림 11과 같이 확인할 수 있었다.[5]
축대칭 코드를 이용하여 다음 그림 5와 같이 전두부 단면적 분포에 대한 미기압파 수치해석을 수행하였으며, 이를 이용하여 5가지 전두부 길이(5m, 7m, 10m, 12m, 15m)에 대해 미기압파 최소화를 위한 전두부 단면적 분포 최적화를 수행하였다.
성능/효과
또한 강건 최적 설계된 팬헤드 기본 형상에 대하여 공군사관학교 교육용 풍동에서 각 형상에 대한 실제 크기(두께 25mm, 길이 35mm~150mm)의 풍동실험 모델을 설치하여 공력특성 실험과 스모그 와이어 및 PIV 가시화 실험을 수행하였다. 그 결과를 보면 현재 운용중인 팬헤드 기본 형상인 사각주 형상(그림 12,15)과 원형 실린더 형상(그림 13,16)에서는 물체의 후류에서 주기적인 볼텍스가 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 진동을 발생시켜 구조물의 진동수와 간섭을 일으킬 수도 있다. 본 연구에서 강건 최적 설계된 형상(그림 14,17)의 실험결과를 보면 사각 실린더와 같은 일반적인 형상에서 나타나는 주기적인 볼텍스는 급격히 감소하며, 월등한 항력감소와 팬헤드의 주요 소음인 강한 다이폴 소음원을 감소시켜 전체 소음 음압레벨을 감소시킬 수 있음을 보여준다.
그 결과를 보면 현재 운용중인 팬헤드 기본 형상인 사각주 형상(그림 12,15)과 원형 실린더 형상(그림 13,16)에서는 물체의 후류에서 주기적인 볼텍스가 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 진동을 발생시켜 구조물의 진동수와 간섭을 일으킬 수도 있다. 본 연구에서 강건 최적 설계된 형상(그림 14,17)의 실험결과를 보면 사각 실린더와 같은 일반적인 형상에서 나타나는 주기적인 볼텍스는 급격히 감소하며, 월등한 항력감소와 팬헤드의 주요 소음인 강한 다이폴 소음원을 감소시켜 전체 소음 음압레벨을 감소시킬 수 있음을 보여준다.
그림 7은 앞서 그림 6에 나타난 최적화 된 전두부 단면적 분포에 대한 미기압파 강도 해석 결과이다. 최적화된 형상은 포물형 전두부 형상이나 기존의 최적형상에 비해 최대 27%의 미기압파 저감 효과를 보이고 있으며, 전두부 길이가 10m 근처일 때 저감 효과가 가장 좋다.[3]
후속연구
)의 위치를 변경시키면서 해석을 수행한 결과이다. 해석 범위 내에 공력저항을 최소로 하는 형상이 존재함을 알 수 있었으며, 이후 연구에서 보다 정밀한 최적설계를 통해 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 보여준다.
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