눈 특성에 따른 열차의 눈 부착률 추정에 대한 수치적 연구

Abstract

Snow accretion on trains could cause ice to be detracted, damaging trains and surrounding facilities. Rail operating companies are implementing measures to slow down the speed of the train to minimize the damage caused by snow accretion, but it will affect the on-time and safety of the train, so it is necessary to design an anti/de-icing devices. In order to design the efficient device, the location and mass of snow ice must be predictable, so simulation is required to perform snow accretion analysis. Although previous studies on the development of simulation technology have shown progress in predicting the location and amount of snow particles colliding with trains through theoretical studies on multiphase flow, the snow particles sticking to the wall after impacting the characteristics of snow have not reflected the physical phenomena. In addition, the study performed analysis only when the train was running under snowing conditions, where snow particles were in the air, but there was a limit in explaining snow accretion due to snow spindrift of snow caused by train winds. In order to overcome this limitation, simulation is needed to reflect the adhesion characteristics of the snow and the snow spindrift phenomenon. This study applies snow characteristics such as drag, threshold angle, and liquid water content of snow(LWCS) and finds the role of the snow characteristics in the process of snow collisions on the train surface. This paper predicted the snow collection efficiency for the train and confirmed the results. Through the study of particle transport theory, the physical characteristics of the snow spindrift phenomena in trains were investigated. The threshold angle reduces the area of snow adhesion, as a result, in the train, the snow attaches only to the front and the bogie. In consideration of LWCS the collection efficiency was 20% at -2 ℃, 79% at -5 ° C and 99.22% at -8 ° C compared to that of impingement. The snow spindrift generated by the running of the train seems to be related to the geometrical structure of the vortex distribution of the train, and it is confirmed that the actual train qualitatively matches the snow spindrift that can be observed while driving. Snow particles scattered into the recirculation area at the rear of the train and rose to the top of the rear of the train. On the train side, the snow particles moved along the vortices generated from the bogie, affecting the next bogie. In a snowy condition, as the crosswind occurs, the snow particles attachment on the train and the bogie is increased, whereas, in an environment where snow spindrift occurs, the recirculation area moves away from the train as the crosswind angle increases, and then the amount snow was decreased.

겨울철 고속열차에 발생한 설빙이 낙하하면, 낙하한 설빙이 도상자갈을 비산시켜 열차와 주변 시설에 충격을 가해 손상을 줄 수 있다. 열차 운영회사는 설빙에 의한 피해를 최소화하기 위해 감속운행 조치를 실시하고 있지만, 이러한 방식는 열차의 정시성과 안전성에 영향을 주기 때문에 열차에 제빙/방빙 장치를 설계하여 운용할 수 있도록 하는 능동적 대응이 필요하다. 설빙이 발생하는 위치와 질량을 예측할 수 있어야 효율적인 제빙/방빙 장치를 설계할 수 있으므로, 착설 해석을 수행할 수 있는 시뮬레이션 기술이 필요하다. 기존 시뮬레이션은 다상유동에 관한 이론적 연구를 통해 눈 입자가 열차에 충돌하는 위치와 양을 예측하는 성과를 보이며 진전을 보이고 있지만, 눈 입자가 벽면에 충돌 후 달라붙는 물리적 현상을 반영하고 있지 못하고 있다. 그리고 기존 연구는 눈 입자가 공기 중에 있을 때 열차가 주행하는 상황에서만 해석을 수행했기 때문에 맑은 날씨이지만 착설이 발생하는 현상에 대해 설명하는데 한계가 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 눈이 가지고 있는 부착특성과 눈 입자의 비산 현상을 반영한 시뮬레이션이 필요하다. 본 연구는 눈 입자의 항력, 임계부착한계각도, 함습률(Liquid Water Content of Snow, LWCS)과 같은 눈 특성을 적용하여 열차 표면에 대한 눈 충돌이 부착으로 이어지는 과정에서의 변화를 확인했고, 열차에 대한 눈 부착률을 예측했다. 그리고 입자의 수송 이론의 연구를 통해 열차 주변에 발생하는 비산 현상의 물리적 특성을 고찰했다. 임계부착한계각도는 벽면에 대한 눈 충돌에서 부착으로 이어지는 영역을 축소시켜 눈 부착이 전두부와 대차부에서만 눈의 부착이 발생했으며, 함습률을 고려했을 때에는 부착률이 충돌률 대비 -2℃에서는 20%, -5℃에서는 79%, -8℃에서는 99.22%로 감소되는 것으로 나타났다. 비산 해석을 수행한 결과, 열차의 주행으로 발생하는 눈 입자의 비산장은 열차의 와류분포의 기하학적인 구조와 관련이 있을 것으로 보이며, 실제 열차에서 발생하는 발생하는 비산장과 정성적으로 일치함을 확인하였다. 열차 후미에서 발생한 재순환 영역으로 비산한 눈 입자는 열차 후미 상단까지 올라갔고, 열차측면에서는 대차부에서 발생한 와류를 따라 비산입자가 이동하며 다음 대차부에 영향을 주는 것으로 나타났다. 위 현상들에 대한 측풍의 영향성을 확인해본 결과, 강설환경에서는 측풍각이 증가함에 따라 열차와 대차부에 입사하는 눈 입자가 증가하는 반면에, 비산이 발생하는 환경에서는 측풍각이 커짐에 따라 재순환 영역이 열차에서 멀어지며 대차부에 입사하는 눈 입자의 양이 감소했다.