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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 성재용
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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교통수단으로써 기차가 개발된 이래로 고속 열차 및 전동열차 등, 선로 위를 주행하는 열차의 안전 확보와 열차에 승차중인 승객의 쾌적한 승차감을 위한 연구와 기술개발이 활발히 진행되어왔다. 최근에는 지하철 전동열차의 주행보조와 소음감소를 위하여 터널내부에 여러 장치를 설치하거나 흡음패널을 시공하는 기술이 개발되고 있다. 이에 따라 지하철 전동열차의 터널 내부에서의 운행조건에 따른 유동분석이 필요하지만, 열차에 관련된 연구들은 고속, 초고속열차의 주행에 따른 측풍분석, 반사파분석 등의 유동분석이 주를 이루고 있다. 특히 열차가 주행 중 터널에 진입하거나, 두 열차가 고속으로 교차하는 상태일 때 열차 주변의 유동상태가 급격하게 변하며 불안정하기 때문에 이러한 주행조건에서의 유동현상 분석을 집중해 연구해왔다. 그러나 지하철 전동열차의 경우 주행하는 터널이 무한히 긴 터널의 조건으로 고려할 수 있으며, 열차에 의해 생성된 압축파가 터널 출입구에서 반사되어 터널 내부로 전파되는 반사파 영향을 배제하고 해석할 필요가 있다.
한편 열차와 터널의 실제 규모가 크고, 다양한 운행조건을 반복하기 어렵기 때문에 실험을 통해 유동을 해석하기에는 어려움이 따른다. 이를 해결하고자 시뮬레이션을 이용한 수치해석으로 유동을 분석하려는 연구가 시도되어왔다. 특히 전산처리기술의 연산능력 발전으로 실제 규모의 모델링과 운행조건을 격자로 구현하여 시뮬레이션 수치해석 방법이 연구되고 상용화되어 다양한 분야에서 활용되고 있는 추세이며, 많은 연구들이 기존 선행연구들의 실험값들과 시뮬레이션의 검증과정을 통해 높은 신뢰도를 획득한 결과를 발표하고 있다.
본 연구의 목적은 반사파를 배제한 무한직선터널 내부에서 지하철 전동열차의 운행조건 중 유동 변화가 심할 것으로 예상되는 교차운행에 따른 터널 내부유동을 해석하고자 하며, 이를 위해 CFD를 이용하여 실제 규모와 운행조건의 터널과 열차를 모델링하여 3차원, 압축성, 비정상상태 조건으로 시뮬레이션 및 수치해석 하였다.
해석결과 반사파의 간섭이 없는 경우 주행 중인 열차 주변부는 대기압보다 낮은 압력상태를 유지했으며, 열차의 전면의 압력이 후면보다 높은 상태의 역압력구배를 형성함을 볼 수 있었다. 두 열차가 교차하기 직전까지 역압력구배와 피스톤 효과에 의해 열차주변의 유동방향이 열차의 주행방향과 반대로 형성되었으며, 열차가 교차를 시작하여 두 열차가 겹치는 영역에서는 전단유동의 영향이 유동방향에 지배적인 것으로 나타났다. 열차가 분리된 직후에는 다시 주변에 역압력구배가 형성되지만, 열차와 터널의 벽면 사이에서는 전단유동의 영향이 더 크게 나타났다. 교차가 진행되는 동안 열차의 중심부에서 유동변화가 가장 적었으며, 열차의 후면으로 갈수록 유동변화가 큰 것으로 나타났다.
한편 열차와 터널의 실제 규모가 크고, 다양한 운행조건을 반복하기 어렵기 때문에 실험을 통해 유동을 해석하기에는 어려움이 따른다. 이를 해결하고자 시뮬레이션을 이용한 수치해석으로 유동을 분석하려는 연구가 시도되어왔다. 특히 전산처리기술의 연산능력 발전으로 실제 규모의 모델링과 운행조건을 격자로 구현하여 시뮬레이션 수치해석 방법이 연구되고 상용화되어 다양한 분야에서 활용되고 있는 추세이며, 많은 연구들이 기존 선행연구들의 실험값들과 시뮬레이션의 검증과정을 통해 높은 신뢰도를 획득한 결과를 발표하고 있다.
본 연구의 목적은 반사파를 배제한 무한직선터널 내부에서 지하철 전동열차의 운행조건 중 유동 변화가 심할 것으로 예상되는 교차운행에 따른 터널 내부유동을 해석하고자 하며, 이를 위해 CFD를 이용하여 실제 규모와 운행조건의 터널과 열차를 모델링하여 3차원, 압축성, 비정상상태 조건으로 시뮬레이션 및 수치해석 하였다.
해석결과 반사파의 간섭이 없는 경우 주행 중인 열차 주변부는 대기압보다 낮은 압력상태를 유지했으며, 열차의 전면의 압력이 후면보다 높은 상태의 역압력구배를 형성함을 볼 수 있었다. 두 열차가 교차하기 직전까지 역압력구배와 피스톤 효과에 의해 열차주변의 유동방향이 열차의 주행방향과 반대로 형성되었으며, 열차가 교차를 시작하여 두 열차가 겹치는 영역에서는 전단유동의 영향이 유동방향에 지배적인 것으로 나타났다. 열차가 분리된 직후에는 다시 주변에 역압력구배가 형성되지만, 열차와 터널의 벽면 사이에서는 전단유동의 영향이 더 크게 나타났다. 교차가 진행되는 동안 열차의 중심부에서 유동변화가 가장 적었으며, 열차의 후면으로 갈수록 유동변화가 큰 것으로 나타났다.
목차
요약 ⅰ표목차 ⅲ그림목차 ⅳ기호설명 ⅴⅠ. 서 론 11. 연구배경 및 필요성 12. 연구동향 23. 연구목표 5Ⅱ. 이론적 고찰 61. 반사파 간섭 유무에 따른 터널내부 유동특성 62. 열차주변의 유동방향 지배요인 8Ⅲ. 터널 내부 유동에 대한 수치해석 방법 91. 시뮬레이션 모델 및 운행조건 92. 격자운동 구현방법 113. 해석기법의 검증 12Ⅳ. 결과 및 고찰 141. 열차 교차진행에 따른 터널내부 와류분포 분석 142. 터널 중심에서 시간에 따른 유동특성 분석 203. 교차진행에 따른 유동특성 분석 234. 열차와 터널사이의 유동특성 분석 32Ⅴ. 결론 44참고문헌 45Abstract 47감사의 글 49
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