[논문]동력분산형 고속철도의 공력해석기술 연구

노주현; 구요천; 윤수환; 곽민호; 박훈일; 김규홍; 이동호

문제 정의

본 논문은 2007년부터 연구되고 있는 "차세대 고속철도기술개발 사업"중의 동력분산형 고속철도의 공력해석 기술에 대한 전반적인 내용을 소개하며, 향후 연구개발 될 최고속도 400 Km/h 급 고속철도에 있어 매우 중요한 전두부공력형상 설계기술과 고성능 친환경 팬터그래프의 팬헤드에 대한 원천기술 연구결과를 정리요약 하였다.
본 연구의 최종목표는 그림 1.과 같은 주요기술 관계 파악을 통하여 저저항/고성능 한국형 고유 전두부 형상 개발 및 친환경/고효율 팬터그래프 팬헤드 개발이 목표이다. 당해 연도에는 표1에서 정리된 바와 같이 400km/h의 최고속도를 달성할 수 있는 한국형 전두부 후보 형상의 공력성능 요구조건을 구체적으로 제시할 것이다.
이렇게 예측된 미기압파 결과를 통하여 터널 미기압파 감소를 위한 전두부 단면적 분포 최적화를 수행하였다. 이를 통하여 전두부 앞부분이 뭉툭해질수록, 전두부 뒷부분 높이가 낮아질수록 미기압파 감소하며 변곡점의 높이는 Paraboloid 형상에 가까워질수록 미기압파가 감소하는 현상이 나타남 검토하였다.
이렇게 예측된 미기압파 결과를 통하여 터널 미기압파 감소를 위한 전두부 단면적 분포 최적화를 수행하였다. 이를 통하여 전두부 앞부분이 뭉툭해질수록, 전두부 뒷부분 높이가 낮아질수록 미기압파 감소하며 변곡점의 높이는 Paraboloid 형상에 가까워질수록 미기압파가 감소하는 현상이 나타남 검토하였다. 이와 같은 연구결과를 통하여 터널 미기압파를 저감시키는 전두부 형상에 대하여 그림 5와 같은 독창적인 연구결과를 도출하였다.

제안 방법

1차년 연구개발을 통하여 고성능 친환경 판토그래프 설계를 위한 강건최적설계 된 팬헤드 형상에 대하여 각각 그 공기역학적 특성을 파악하고 측풍과 같은 외부 외란에 대한 원천 기술을 개발하기 위하여 뭉툭한 실린더 주변의 유동현상을 풍동실험을 통하여 검토하였다. 먼저 가속되는 유동 하에서의 유동 특성을 검토하기위하여 서울대 아음속 교육용 풍동에서 기본실린더 형상을 가지고 그림 9와 같이 연구하였으며 이를 통하여 자유류의 속도가 가속되는 유동 하에서는 박리점의 이동 및 모멘텀 공급으로 저항이 일반적인 경우보다 더 크게 나타남을 분석하였다.
Bernstein 다항식을 변형한 열차 전두부 설계기법을 제안하였다. 이를 위해 열차 전두부를 측면형상 기준으로 1-box model과 2-box model로 분류하였으며, 열차의 각 세부 형상을 하나의 함수 형태로 표현하였다.
당해 연도에는 표1에서 정리된 바와 같이 400km/h의 최고속도를 달성할 수 있는 한국형 전두부 후보 형상의 공력성능 요구조건을 구체적으로 제시할 것이다. 그리고 개념설계 단계에서 제시된 한국형 전두부의 후보형상에 대한 실험적/수치 해석적 방법을 통하여 공력성능평가 및 설계가이드라인을 제시한다. 또한, 친환경/고효율 팬터그래프 개발을 위하여 팬터그래프의 단면형상에 대한 풍동실험 및 수치해석 그리고 강건최적설계를 수행하여 최적 형상을 도출한다.
단면적 분포 산출을 통한 터널 미기압파 및 터널 내부 압축파 강도를 축대칭 코드를 이용하여 그림 4와 같이 예측하였다.
특히 터널 미기압파 저감을 위한 전두부 최적 면적분포를 도출하였고 각 설계요소에 따른 미기압파 특성을 비교 분석하였다. 또한 팬터그래프 팬헤드의 2차원 형상최적화를 통하여 비정상 가속 유동이나 측풍 등 외란에 강건하며, 주요 팬헤드의 소음원인으로 예상되는 와유동을 감소시켜 친환경적인 형상을 도출하였으며 이에 대한 풍동실험을 통하여 성능을 검증하였다.
그리고 개념설계 단계에서 제시된 한국형 전두부의 후보형상에 대한 실험적/수치 해석적 방법을 통하여 공력성능평가 및 설계가이드라인을 제시한다. 또한, 친환경/고효율 팬터그래프 개발을 위하여 팬터그래프의 단면형상에 대한 풍동실험 및 수치해석 그리고 강건최적설계를 수행하여 최적 형상을 도출한다.
Bernstein 다항식을 변형한 열차 전두부 설계기법을 제안하였다. 이를 위해 열차 전두부를 측면형상 기준으로 1-box model과 2-box model로 분류하였으며, 열차의 각 세부 형상을 하나의 함수 형태로 표현하였다. 열차 전두부 형상 구현을 위한 형상함수는 Bernstein 다항식을 응용한 식 (1)과 같은 기본 식에서부터 출발하여 각 형상의 특징을 반영할 수 있도록 함수형태로 정의한다.
열차 전두부 형상 구현을 위한 형상함수는 Bernstein 다항식을 응용한 식 (1)과 같은 기본 식에서부터 출발하여 각 형상의 특징을 반영할 수 있도록 함수형태로 정의한다. 이와 같은 함수를 조합하여 전두부의 2차원 삼면도를 생성하고 단면형상을 전두부 길이에 대해 정의함으로써 최종적으로 전두부의 3차원 형상을 하나의 형상함수로 표현하였다.
이와 같이 자유자제로 정의 할 수 있는 형태에 대해 Latin Hypercube 샘플링 및 크리깅 모델을 이용하여 반응면을 구성한 후, GA와 EI값들을 이용하여 강건 최적화과정을 수행한다. 팬헤드의 안정성과 강건성 을 위해 C_d 와 C_l 진폭, 그리고 외란에 대한 민감도 #을 최소화 하여 외부교란에 강건한 팬헤드 형상을 그림 8과 같이 최적설계 하였다[5].
본 논문은 2007년부터 연구되고 있는 "차세대 고속철도기술개발 사업"중의 동력분산형 고속철도의 공력해석 기술에 대한 전반적인 내용을 소개하며, 향후 연구개발 될 최고속도 400 Km/h 급 고속철도에 있어 매우 중요한 전두부공력형상 설계기술과 고성능 친환경 팬터그래프의 팬헤드에 대한 원천기술 연구결과를 정리요약 하였다. 특히 터널 미기압파 저감을 위한 전두부 최적 면적분포를 도출하였고 각 설계요소에 따른 미기압파 특성을 비교 분석하였다. 또한 팬터그래프 팬헤드의 2차원 형상최적화를 통하여 비정상 가속 유동이나 측풍 등 외란에 강건하며, 주요 팬헤드의 소음원인으로 예상되는 와유동을 감소시켜 친환경적인 형상을 도출하였으며 이에 대한 풍동실험을 통하여 성능을 검증하였다.

성능/효과

또한 4.7절의 결과와 같이 강건최적설계 된 팬헤드 형상에 대하여 그림 10과 같이 공군사관학교 풍동을 이용하여 공력실험과 PIV 가시화를 통하여 현재 사용되고 있는 팬헤드의 형상과 성능을 비교 분석하였으며 풍동실험 결과를 통하여 후류의 교란과 공력소음 발생이 밀접한 관련이 있음을 증명하였다.
0740 ) 와 비교하여 성능향상을 예상 할 수 있다. 또한 전체 3차원 형상에 대한 전산해석은 그림 3과 같이 전두부 고압영역 및 유동박리지점 예측 가능할 수 있게 하였으며 이 결과는 신간선 700계의 예와 같은 전형적인 결과들과 동일한 결과를 나타내었다.
1차년 연구개발을 통하여 고성능 친환경 판토그래프 설계를 위한 강건최적설계 된 팬헤드 형상에 대하여 각각 그 공기역학적 특성을 파악하고 측풍과 같은 외부 외란에 대한 원천 기술을 개발하기 위하여 뭉툭한 실린더 주변의 유동현상을 풍동실험을 통하여 검토하였다. 먼저 가속되는 유동 하에서의 유동 특성을 검토하기위하여 서울대 아음속 교육용 풍동에서 기본실린더 형상을 가지고 그림 9와 같이 연구하였으며 이를 통하여 자유류의 속도가 가속되는 유동 하에서는 박리점의 이동 및 모멘텀 공급으로 저항이 일반적인 경우보다 더 크게 나타남을 분석하였다.
이와 같은 3차원 수치해석을 통해 2량 편성 차량에 대한 저항계수 산출을 산출하여 다음과 같은 예상 결과를 얻었다. 설계된 차량의 전체 공력저항 계수는 Cd = 0.1438 (Cdp =0.0686, Cdf = 0.0752 ) 이 되었으며 이는 같은 방법으로 계산한 KTX-II 2량 편성의 공력저항 계수 Cd = 0.1700 (Cdp =0.0960, Cdf = 0.0740 ) 와 비교하여 성능향상을 예상 할 수 있다. 또한 전체 3차원 형상에 대한 전산해석은 그림 3과 같이 전두부 고압영역 및 유동박리지점 예측 가능할 수 있게 하였으며 이 결과는 신간선 700계의 예와 같은 전형적인 결과들과 동일한 결과를 나타내었다.

후속연구

과 같은 주요기술 관계 파악을 통하여 저저항/고성능 한국형 고유 전두부 형상 개발 및 친환경/고효율 팬터그래프 팬헤드 개발이 목표이다. 당해 연도에는 표1에서 정리된 바와 같이 400km/h의 최고속도를 달성할 수 있는 한국형 전두부 후보 형상의 공력성능 요구조건을 구체적으로 제시할 것이다. 그리고 개념설계 단계에서 제시된 한국형 전두부의 후보형상에 대한 실험적/수치 해석적 방법을 통하여 공력성능평가 및 설계가이드라인을 제시한다.

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