초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 기존 고속선의 터널 단면적을 유지하면서 운행속도를 400km/h로 증속할 경우 발생하는 공기저항, 승객 이명감 및 미기압파 등 터널 공기력 문제를 해결하기 위해 하이퍼루프와 같이 압축기를 차량에 적용하여 공기력을 효율적으로 저감하는 기술의 개발을 목표로 하며, 이를 위해 고속열차에 적용가능한 압축기를 탐색하고 다양한 설계 아이디어를 도출한 후 설계개념 후보를 도출하였다.
또한, 고속열차 전용 CFD 해석 프로그램을 개발하여 터널-열차 모형에 대해 강건하고 정확한 유동해석을 수행하는 동시에

연구의 목적 및 내용
본 연구는 기존 고속선의 터널 단면적을 유지하면서 운행속도를 400km/h로 증속할 경우 발생하는 공기저항, 승객 이명감 및 미기압파 등 터널 공기력 문제를 해결하기 위해 하이퍼루프와 같이 압축기를 차량에 적용하여 공기력을 효율적으로 저감하는 기술의 개발을 목표로 하며, 이를 위해 고속열차에 적용가능한 압축기를 탐색하고 다양한 설계 아이디어를 도출한 후 설계개념 후보를 도출하였다.
또한, 고속열차 전용 CFD 해석 프로그램을 개발하여 터널-열차 모형에 대해 강건하고 정확한 유동해석을 수행하는 동시에 압축기 적용 시의 공기력 저감 효과를 검토할 수 있는 수치해석 도구를 마련하였으며, 고속열차에 대한 다양한 해석을 용이하게 수행할 수 있는 사용자 환경을 구성하였다. 마지막으로 개발된 프로그램 등을 활용하여 흡,배기구 면적, 열차 속도, 터널 길이 등의 파라메타를 바꾸어가며 압축기 적용 고속열차의 터널 공기력 저감 효과를 평가하여 최종설계(안)을 도출하고 3차원 모델에 대한 검증을 수행하였다.

연구개발성과
고속열차 운용조건을 고려하여 철도차량 내부에 탑재 가능한 최대직경 0.4m, 최대길이 0.3m 정도인 다단 축류압축기인 ‘항공기 엔진용 3단 천음속 축류압축기’를 고속열차 적용에 가장 적합한 압축기로 선정하였으며, 설계개념 아이디어의 분석 및 형태소분석기법(Morphological analysis)을 이용하여 총 72개의 설계개념 후보를 도출하였고, 최종적으로 열차 단수 압축기형, 선두차 단수 압축기형 및 압축기 외부장착형 등 총 3개의 최종 설계개념 후보를 도출하였다.
압축기 유입구 및 토출구에서의 유동 조건을 계산할 수 있는 압축기 성능곡선 및 모듈과 격자 정보 없이 질점만으로 구성된 해석 질점계 상에서 해석을 수행할 수 있는 무격자 기반 유동해석 기법을 개발 및 검증하였다. 개발 프로그램은 고속열차 해석 과정에서 생성되는 형상곡선, 해석용 질점계, 유동 해석 결과를 GUI 상에서 확인할 수 있으며, 검증을 위해 KTX 열차의 복안터널 통과 문제를 해석한 결과 승객 이명감 1.6%, 미기압파 4.0% 등 모든 검증 항목에서 기존 프로그램(C-STA) 대비 96% 이상의 정확도를 나타냄을 확인하였다.
개발 프로그램 등으로 3종의 압축기 적용 고속열차 설계개념 후보를 비교하여 평가한 결과, 선두차량 내부에 압축기를 장착하여 전두부에서 흡입, 후미부에서 배출하는 방식의 열차 단수 압축기형(설계개념 1)이 공기저항과 객실 내 압력 변동 및 미기압파 등 모든 터널 공기력의 저감이 가능한 것으로 나타났으며, 선정된 설계개념 1에 대해서 압축기 입출구 면적과 터널 길이를 바꾸어가며 해석을 수행한 결과, 흡기구 면적이 열차 단면적의 30%이고, 흡기구 대비 배기구 면적이 80%인 경우를 최종 설계(안)으로 선정하였다. 최종 설계(안)의 평균 공기저항 저감율은 35.8%였으며, 승객 이명감 지표 저감율 14.5%, 미기압파 저감율 43.4% 로서 객실 내 압력변동 및 미기압파를 모두 기준치 이하로 유지함을 알 수 있었다.

연구개발성과의 활용계획(기대효과)
- 하이퍼루프형 압축기를 차량에 적용하는 방안이 열차가 고속으로 터널을 주행할 때 발생하는 공기력의 저감에 실효성 있음을 증명
- 터널 단면적의 확대 없이 터널 공기력을 저감하여 국내 고속선의 운영 속도를 400km/h로 비약적으로 증대시키는 데 활용함

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 5
• 표목차 ... 7
• 그림목차 ... 8
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 제 1 절 연구개발의 배경 및 필요성 ... 11
• 1. 연구개발의 배경 ... 11
• 2. 연구개발의 필요성 ... 11
• 제 2 절 연구개발의 목표 및 내용 ... 14
• 1. 연구개발의 최종 목표 ... 14
• 2. 연구개발의 세부 목표 ... 14
• 3. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 14
• 제 2 장 연구수행내용 및 성과 ... 16
• 제 1 절 고속철도에 대한 압축기 적용성 검토 및 선정 ... 16
• 1. 개요 ... 16
• 2. 압축기 요구사항 검토 ... 17
• 3. 압축기 타입별 특징 분석을 통한 적용 모델 선정 ... 19
• 4. 압축기 타입별 특징 분석을 통한 적용 가능 모델 선정 ... 23
• 5. 소결 ... 27
• 제 2 절 하이퍼루프형 압축기 적용 고속열차 공기역학 설계개념 연구 ... 28
• 1. 개요 ... 28
• 2. 설계개념 도출 방법 ... 29
• 3. 설계개념 도출 결과 ... 30
• 4. 소결 ... 36
• 제 3 절 압축기 적용 고속열차 전용 CFD 해석 프로그램 개발 ... 37
• 1. 개요 ... 37
• 2. 압축기 적용 고속열차 해석을 위한 무격자 기법 개발 ... 38
• 3. 압축기 모델링 기법 및 경계 조건 개발 ... 45
• 4. 격자 연결정보를 사용하는 기존 세대 유동해석과 달리 질점만 이용한 해석기법 개발 및 활용 ... 52
• 5. 고속열차의 터널 통과 모사를 정확하고 효율적으로 처리하는 이동 질점법 개발 ... 60
• 6. 소결 ... 64
• 제 4 절 압축기 적용 고속열차 해석 프로그램(GUI) 개발 ... 65
• 1. 개요 ... 65
• 2. 그래픽 사용자 환경(GUI) 개발 ... 66
• 3. 전후처리 환경 ... 70
• 4. 개발 프로그램 실증 ... 74
• 5. 소결 ... 82
• 제 5 절 하이퍼루프형 압축기 적용 고속열차 공기역학 상세설계 ... 83
• 1. 개요 ... 83
• 2. 해석 조건 ... 83
• 3. 축대칭 해석 결과 ... 86
• 4. 3차원 해석 결과 ... 100
• 5. 소결 ... 104
• 제 6 절 결론 ... 105
• 제 3 장 연구개발 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 107
• 제 1 절 연구개발 목표 및 달성도 ... 107
• 1. 연구개발의 최종 목표 ... 107
• 2. 연차 별 세부 연구목표 및 목표 달성도 ... 107
• 3. 성과목표 달성도 ... 109
• 제 2 절 관련 분야 기여도 ... 110
• 1. 국내 고속철도 400km/h 증속의 최대 기술현안 해결 ... 110
• 2. 능동유동제어 기술의 도입을 통한 국내 고속철도차량 고부가가치화 ... 110
• 3. 개발 프로그램의 산업계 활용으로 인한 고속열차 및 터널 설계 효율화 ... 110
• 제 4 장 연구개발결과의 활용계획 ... 111
• 제 1 절 연구 결과의 활용 방안 ... 111
• 제 2 절 기대성과 및 파급효과 ... 111
• 1. 기술적 측면 ... 111
• 2. 경제적ㆍ산업적 측면 ... 111
• 3. 사회적 측면 ... 111
• 붙임1. 참고문헌 ... 112
• 부록. 해석 Case 별 결과 ... 114
• 끝페이지 ... 185