Wind Tunnel Experiment and Development of Thermodynamic Model for Dry Snow Accretion on a Heated Surfaces

Abstract

In railway vehicle, snowpack on bogie and the underframe caused by snow accretion can result in a various type of damage along with performance degradation. To acquire reliable data for characteristic of snow accretion on railway vehicles, effect of surface heat transfer caused from mechanical or electrical subsystems should be considered. In this paper, wind tunnel experiment and modeling of dry snow accretion on a heated surface were carried out to estimate characteristics of dry snow accretion that occur in sub-freezing temperature with using a small climatic wind tunnel. The experiments were conducted with respect to surface heat flux regarding atmospheric conditions such as air temperature, wind speed and snow flux. Including growth rate, sticking efficiency and liquid water content, measurement about accreted snow properties was systemically applied to analyze the dry snow accretion on a heated surface. The experiments show a strong influence of surface heat flux on the snow accretion process. Sticking efficiency of dry snow can be correlated with the liquid water content of accreted snow layer and meteorological parameters. Accreted snow layer shed from surfaces when liquid water content lies slightly above then 40%. The sticking efficiency and liquid water content of accreted snow layer were estimated through a thermodynamic model which considers the effects of convective cooling and evaporation of liquid water inside the accreted snow. The modeling results was analyzed and cross-validated with the experimental measurements, and it has 0.97 and 0.92 of adjusted R-squared value for sticking efficiency and liquid water content, respectively. The experimental and analytical findings of this study can be considered as extend of existing knowledge about snow accretion phenomena to dry snow. Therefore, this study can be further extended to wet snow as well as dry snow.

겨울철 착설로 인해 대차부 및 열차 하부에 형성된 눈더미는 철도차량의 성능저하와 함께 다양한 형태의 피해를 유발한다. 철도 차량의 착설 현상에 적용 가능한 신뢰할 수 있는 눈 입자 및 표면 계면의 부착 특성과 그 원인을 규명하기 위해선, 기계적 또는 전기적 시스템에서 발생하는 표면 열 전달의 영향을 고려해야 한다. 본 논문에서는 소형 기후 풍동을 이용하여 영하의 기온에서 발생하는 건설 부착 특성을 이해하기 위해 풍동 실험 및 가열된 표면에 대한 건형 착설 모델링을 수행하였다. 풍동 실험은 기온, 풍속, 적설량과 같은 대기 조건 및 표면 열전달의 영향을 관찰하기 위해 체계적으로 실험 조건이 설정되었다. 정교한 측정 과정을 통해 착설층 성장 속도, 부착성 계수 및 함습률과 같은 물성치가 획득되었으며, 가열 표면에 대한 건형 착설 현상의 매커니즘이 분석되었다. 실험 결과 착설 과정에서 표면 열전달은 강한 영향력을 보여주었다. 건설의 부착성 계수는 착설층의 함습률 및 기상 매개변수와 강한 상관 관계를 보였다. 착설층의 함습률이 40%에 도달하였을 때 착설층은 표면으로부터 떨어지는 것으로 나타났다. 착설층의 부착성 계수와 함습률은 착설층 내부의 증발 및 응축, 대류 냉각 그리고 눈의 융해가 고려된 열역학적 모델링을 통해 추정되었다. 모델링 결과는 실험 측정값과 분석 및 교차검증 되었으며, 부착성 계수 및 함습률에 대해 수정결졍계수는 각각 0.97과 0.92로 나타났다. 본 연구의 실험적, 해석적 분석 결과는 착설 현상에 대한 기존 지식을 건설의 영역으로 확장한 것으로 볼 수 있다. 따라서 본 연구 결과는 습설, 단열 표면 조건 등 다양한 열역학적 조건으로 확장 및 적용될 수 있다.