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Aerodynamic analysis considering the railway safety criteria and aerodynamics of the high-speed train travelling in underground tunnels
대심도 터널에서 운행되는 고속열차의 공력특성 및 철도차량 안전기준을 적용한 분석

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Authors
최중근
Advisor
김규홍
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2014-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Great Train eXpressAerodynamic dragTrain nose shapeTunnel cross-sectional areaWind loadAural discomfort대심도 급행철도공력저항열차 전두부 형상터널 단면적풍압이명감
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2014. 8. 김규홍.
Abstract
국내에서 새로운 대중 교통수단이 건설될 계획에 있다. 대심도 급행철도 (Great Train eXpress) 는 현재의 지하철과 같이 지하에 건설될 것이다. 그러나 최대 주행속도가 현재의 지하철보다 약 2 배 빠른 200 km/h 이다. 열차의 속력이 터널에서 증가할 때, 공기역학과 관련된 문제들이 주요관심사들 중에 하나가 된다. 공력문제들을 예로 들면 공력 저항, 스크린도어에 작용하는 풍압과 승객을 위한 이명감 등을 들 수 있다.
그러므로 본 논문에서는 지하철 터널에서의 공력현상 분석과 GTX의 개념설계를 수행하였다. 우선, 현재 지하철 속도 (100 km/h)에서 GTX의 속도 (200 km/h) 로 열차속도의 증가에 따른 공력효과를 평가하였다. 그리고 공력 변수들의 (공력저항, 풍압과 차량 내부압력 변화) 경향성을 설계 변수들을 (차량 전두부 형상, 터널 단면적과 환기구) 변화시켜 가면 분석하였다. 그 후에, 경향성 분석을 통한 GTX의 개념설계를 수행하였다. GTX의 개념설계는 고속열차와 지하철의 설계 기준에 의해 평가되었다.
터널에서 열차의 공력특성을 분석하기 위해 전산유체역학을 (Computational Fluid Dynamics) 사용하였으며 축대칭 방법으로 해석을 수행하였다.
해석 결과의 분석을 통해 GTX의 설계가 현재 지하철과는 다르게 진행되어야 한다는 것을 알게 되었다. 전두부 형상은 공력저항을 줄이기 위하여 현재 지하철의 무딘 형상이 아닌 KTX-산천과 같은 유선형 형상으로 설계되어야 하며, 터널 단면적은 현재의 지하철보다 넓어져야 한다. 스크린 도어의 경우 설계기준의 강화가 필요하며, GTX 차량은 승객의 편의를 위해 기밀이 유지되지 않는 현재 지하철 차량과는 다르게 기밀이 유지되는 차량으로 설계되어야 할 것으로 판단된다.
South Korea is proposing to construct a new public transportation system. The Great Train eXpress (GTX) will be built underground as the present subway system. However, the cruise speed will be 200 km/h which is about two times faster than the present subway. When the train speed increases in a tunnel, the problems related to the aerodynamics are the important issues: aerodynamic drag, wind load on the platform screen door and aural discomfort for passengers.
Therefore, we performed the analysis of aerodynamic phenomena in a subway tunnel and conceptual design of GTX. First, the effect of the speed increase on the aerodynamic parameters was investigated as the train speed increases by the speed of GTX (200 km/h) based on the speed of present subway (100 km/h). And the trend of the aerodynamic parameters (aerodynamic drag, pressure wave and pressure change inside the train) is analyzed by changing the design parameters (nose shape, tunnel cross-sectional area and shaft). After that, GTX is designed conceptually from the tendency analysis. The conceptual design is evaluated by the design criteria of the high-speed train and subway.
An analysis to estimate the aerodynamic characteristics of the train in the tunnel is performed using Computational Fluid Dynamics (CFD). Numerical simulations were also performed by the axisymmetric method.
Through the analysis of the simulation results, it is found that the design of GTX should be carried out carefully. The nose shape of GTX should be a streamlined shape like KTX-Sancheon to reduce the aerodynamic drag. The tunnel cross-sectional area should be larger than the present subway tunnel. Tighter criteria about the design of the platform screen door is needed for the high-speed subway like GTX. a sealed train is needed to prevent the internal pressure change from the rapid external pressure change for passenger safety and comfort.
These results are applicable for the basic design of the proposed GTX and tunnel system.
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/118386
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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