† 교신저자, 한국철도기술연구원, 고속철도연구본부 E-mail : [email protected]
* 한국철도기술연구원, 차세대고속철도기술개발사업단
주행속도 시속 500km 달성을 위한 고속철도 차량의 공기저항 저감 목표 및
달성 방안
Target and Implementation of Aerodynamic Drag Reduction for High-speed
Train to Reach Up to 500km/h Running Speed
권혁빈† 윤수환* 이형우*
Hyeok-Bin Kwon Su-Hwan Yun Hyung-Woo Lee
ABSTRACT
The maximum speed of high-speed rail is restricted to various factors such as track condition including slope and radius, tunnel and dynamic stability of vehicle. Among the various factors, traction effort and resistance to motion is principal and basic factor. In addition, at high speed over 300km/h, aerodynamic drag amounts up to 80% of resistance to motion, that it can be said that aerodynamic drag is the most important factor to decide the maximum speed of high-speed rail system.
This paper deals with a measure to increase the maximum speed of high-speed train by reducing aerodynamic drag. The traction effort curve and resistance to motion curve of existing high-speed train under development has been employed to set up the target of aerodynamic drag reduction to reach up to 500km/h without modification traction system. In addition, the contribution of various sources of aerodynamic drag to total value has been analyzed and the strategy for implementation of aerodynamic drag reduction has been discussed based on the aerodynamic simulation results around the train using computational fluid dynamics.
1. 서론 세계 고속철도시장은 2009년 기준 110억 유로 규모로 파악되고 있고, 2013년에는 130억 규모로 성 장할 것으로 예측되고 있다. 증대되는 고속철도 시장에서 기업 간, 국가 간의 경쟁은 더욱 치열해질 것 으로 보이고, 이와 더불어 고속철도의 속도경쟁도 더욱 치열해질 것으로 보여진다. 휠/레일 방식의 고속 철도는 기존 철도와의 호환성, 자기부상식 철도 대비 저렴한 건설비가 장점으로 꼽히지만, 점착식 구동 원리에 따른 최고속도의 한계점이 점점 더 가까워지고 있는 것으로 이미 오래 전부터 예견되어 왔다. 고속철도시스템의 최고속도는 구배 및 곡률 등 선로조건, 터널, 차량의 동적 안정성 등 여러 가지 인 자에 대해 제약을 받지만, 그 중에서도 가장 기본적이고 중요한 인자는 견인력과 주행저항이다. 특히, 300km/h 이상의 고속에서는 공기저항이 주행저항의 80% 이상을 차지하므로 공기저항이 고속철도의 최 고 속도를 결정하는 가장 중요한 인자라 할 수 있다. 본 연구에서는 공기저항의 저감을 통하여 고속철도의 최고속도를 높이는 방안에 대해 연구하였다. 현 재 운행 또는 개발 중인 고속철도차량의 견인력 곡선과 주행저항식을 이용하여 견인력의 증가 없이 최 고속도 500km/h를 달성하기 위한 공기저항 저감 목표를 도출하였다. 또한, 전산유체역학을 이용한 차량 주위 유동장 해석 결과를 이용하여 공기저항의 구성 성분을 분석하고 구성 성분 간 공기저항 저감 달성 방안에 대해서도 논의하였다.
2. 주행저항과 최고속도 열차가 진행하는 방향으로 작용하는 견인력이 반대방향으로 작용하는 주행저항보다 클 때 열차는 진 행 방향으로 가속되고, 추력과 주행저항이 동일한 경우 열차는 정속 주행을 하게 된다. 열차의 최대 견 인력은 일정 속도까지는 일정하게 유지되다가 속도가 증가할수록 속도 또는 속도의 제곱에 반비례하여 감소하게 된다. 반면 주행저항은 속도가 증가함에 따라 증가하게 되는데, 통상 아래 식(1)에 나타난 Davis equation[1]으로 표현된다. (1) 위 식에서 R은 주행저항이고, V는 열차의 속도이다. 계수 A와 B는 기계적 저항을 포함하기 때문에 열차의 질량과 관련되어 있으며, 약 100km/h 이하의 저속에서는 주행저항은 원칙적으로 열차의 질량에 비례하게 되며, 열차의 경량화는 주행저항의 저감을 이룰 수 있다. 그러나, 고속에서는 공기역학적 저항 에 해당하는 CV2항이 지배적인 항이 된다. 공기저항은 바람속도의 제곱에 비례하기 때문에 열차속도의 증가는 공기저항의 급격한 증가로 이어진다. 아래 그림 1(a)와 (b)에는 속도에 따른 HEMU 열차의 견인력 및 주행저항 곡선을 개활지 주행 및 터널 주행 시에 대하여 각각 나타내고 있다. 그림 1에서 속도가 낮은 영역에서는 견인력 곡선이 주행저 항 곡선보다 크기 때문에 그 차이만큼의 가속도를 발생시킬 수 있다. 그러나, 속도가 높아질수록 견인력 이 낮아지는 반면 주행저항이 증가하기 때문에 가속능력이 낮아지며, 주행저항이 견인력과 같아지는 속 도 이후로는 가속이 불가하므로 해당 속도가 열차의 최고속도가 된다. 그림 1 (a)에서 개활지 주행 시 의 주행저항은 빨간색 실선으로 나타나 있는데, 이 곡선이 견인력 곡선과 만나는 속도는 432km/h로서 이 속도가 열차의 최고속도가 된다. 견인력 곡선을 고정하고, 즉 추진시스템의 변화 없이 최고속도를 증 가시키기 위해서는 주행저항을 줄여야 하는데, 고속에서 주행저항의 대부분을 차지하는 공기저항을 37% 저감시킬 경우(파란색 점선) 견인력 곡선과 교차하는 최고속도는 501km/h가 된다. 터널 주행의 경우 열차 전방의 공기가 압축되면서 공기저항이 평지에 비해 증가하며, 이러한 증가율 은 터널의 단면적에 관계된다. 김석원 등[2]이 경부고속선에서 실시된 한국형 고속열차(G7 열차)의 실 차 타행시험결과를 통해 분석한 결과 터널 내에서의 공기저항이 평지에 비해 30% 정도 증가하였음을 밝혀냈다. 이를 HEMU 열차에 적용할 때 터널 내에서의 최고속도는 394km/h이며, 공기저항을 50% 감 소하였을 경우에 최고속도가 498km/h로 증가하는 것을 알 수 있다. 0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 200 501km/h tr ac tio n ef fo rt ( kN ) train speed (km/h) traction effort Resistance to motion(current)
Resistance to motion(aerodynamic drag 37% down)
432km/h (a) 개활지 주행 00 100 200 300 400 500 50 100 150 200 tr a ct io n e ffo rt ( kN ) train speed (km/h) traction effort
Resistance to motion (107m2 tunnel)
Resistance to motion (107m2 tunnel + aerodynamic drag 50% down)
496km/h 394km/h
3. 형상 요소 별 공기저항 기여도
공기저항은 압력 저항(Pressure drag)과 표면 마찰 저항(Skin friction drag)으로 나뉠 수 있다. 압력 저항은 물체의 표면에 수직으로 작용하는 압력을 면적분한 값이며, 표면 마찰 저항은 유체의 점성에 의 해 물체의 표면에 작용하는 전단력을 면적분한 결과이다. 압력 저항은 유선형 형상에서는 비교적 작은 편이며, 유동의 박리가 발생하는 뭉툭한 물체(blunt body)나 공동(cavity) 형상 등에서는 급격히 증가한 다. 표면 마찰 저항의 경우에는 표면의 거칠기에 따라 달라지며, 레이놀즈수의 영향에도 좌우된다. 열차 의 경우에는 단면에 비해 표면적이 크기 때문에 표면 마찰력의 비중이 크며, 압력저항은 전두부와 후미 부에 작용하는 압력 차이에 의해 발생할 뿐만 아니라 대차, 연결부, 팬터그래프 등 돌출된 형상 또는 공 동 형상에 의해서도 발생하기 때문에 압력저항의 비중도 상당하다. 본 연구에서는 전산유체해석 프로그램인 FLUENT™를 이용하여 해석된 KTX-II 열차 주위의 유동 해석 결과[3]를 고속열차의 공기저항 분석에 이용하였다.
아래 표 1에는 KTX-II 열차의 성분 별 공기저항 기여도를 ICE 열차에 대한 Peters[4]의 분석 결과 와 함께 나타내었다. Peter가 제시한 결과 중 KTX-II 열차와 유사한 형상을 가진 f-type 열차의 경우 공기저항 중 43%는 점성에 의한 표면 마찰저항, 11.8%는 전두부와 후미부의 압력저항, 32.3%는 대차, 87.5%는 차간 연결부, 그리고 5.4%는 팬터그래프에 의한 것으로 나타났다. KTX-II의 전산유체해석 결 과를 분석한 결과, 전체 공기저항 중 점성저항이 22.2%, 전두부/후미부의 압력저항이 23.6%, 대차의 저 항이 20.1%, 연결부 11.0%로 나타났으며, 팬터그래프는 해석에 포함이 되지 않았기 때문에 전체 저항 에서 제외되었다. Peters의 분석에 비해 전산유체해석의 결과는 전두부와 연결부의 저항이 다소 큰 반 면, 표면 마찰저항과 하부 저항은 다소 작은 것으로 나타났다. 위의 두 분석 결과에 차이가 나타나는 이 유는 우선 두 차량의 형상이 다르기 때문이다. 또한 Peter의 결과는 풍동시험 결과를 이용하였고, 본 결 과는 수치해석 결과를 이용하였기 때문에 공기저항 기여도의 추출 방식이 상이하다는 점도 영향을 미친 것으로 보인다. 그림 2에는 전산유체해석 결과를 통해 분석된 KTX-II 열차의 차량 별 공기저항을 나타내고 있다. 붉은색 원으로 표시된 표면 마찰 저항은 차량 별로 다소의 차이는 있지만 상대적으로 고른 분포를 나타내고 있지만, 검은색 사각형으로 표시된 압력 저항의 경우에는 전방의 1, 2번 열차와 후방의 9, 10번 차량이 다른 차량에 비해 월등히 크게 나타났으며, 나머지 차량에서는 압력저항이 점성저항과 근사한 크기를 나타내는 것을 볼 수 있었다. 전두부와 후미부의 압력저항이 1, 10번 열차에 1차적으로 영향을 미치지만, KTX-II 열차 상부의 팬터그래프 장착을 위한 공동부에 가해지는 압력저항도 1, 2, 9, 10 열차의 압력저항 증가에 큰 영향을 미친 것으로 보여 진다.
ICE (f-type) KTX-II CFD
Skin friction 43.0 22.2 Under-gear 32.3 20.1 Nose+tail 11.8 23.6 Gaps trailer 7.5 11.0 motor-car N/A 23.2 Pantos 5.4 N/A total 100.0 100.0 표 1 형상 요소 별 공기저항 기여도 0 2 4 6 8 10 0 2000 4000 6000 8000 10000 Pressure Force Viscous Force D ra g fo rc e( N ) car number 그림 2 KTX-II 열차의 차량 별 공기저항
4. 형상 요소 별 공기저항 저감 방안 KTX-II 열차의 유동장 해석 결과를 분석하여 앞서 제시된 형상 요소 별로 공기저항 기여도를 보다 상세 히 분석하고 각 기여 성분 별 저감 방안을 제시하였다. 4.1 표면 마찰 저항 KTX-II 열차에서 표면 마찰 저항은 전체 공기저항의 22.2%로서 전/후미부 압력저항와 버금가는 큰 저항 요소이다. 그림 3에는 차량 별 표면 마찰 저항을 나타내고 있는데, 첫 번째 차량의 표면 마찰 저항이 가장 크 고 뒤로 갈수록 점차 작아지는 것으로 나타났다. 이는 열차 표면에 발생하는 경계층이 열차 길이를 따라 성 장하기 때문에 열차 표면에서의 유속 기울기가 작아져서 표면 전단력(Sheer stress)이 감소하여 나타나는 결 과로 보인다. 그림 4에서 나타난 열차 표면의 전단력 분포를 보면 선두차 측면에서의 전단력이 크게 나타나 며 뒤로 갈수록 전단력의 크기가 감소함을 알 수 있다. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 S ki n fr ic tio n c on tr ib u tio n ( % ) Number of car 그림 3 차량 별 표면 마찰 저항 그림 4 표면 전단력 분포 3.2 대차 저항 대차저항은 전체 공기저항의 20.1%로서 다른 공기저항 성분들과 버금가는 크기를 나타내고 있다. 그림 5 에는 각 대차의 공기저항을 전체 대차의 저항으로 나누어 도시하여 대차 별 공기저항의 기여도를 살펴보았는 데, 첫 번째 대차의 공기저항이 전체 대차저항의 15.6%를 차지하여 제일 크고, 대차가 후방에 위치할수록 대 차 저항이 점차 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 전방의 세 개 대차가 전체 대차저항의 37.6%를 차지하는 것으로 나타났다. 그림 6에서 나타난 첫 번째 대차의 표면 압력 분포에서 측면의 돌출된 형상에서 특히 고압 의 영역이 보이며, 이것이 대차 저항의 주요 원인임을 알 수 있다. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 2 4 6 8 10 12 14 16 % Number of bogie 그림 5 대차 별 공기저항 그림 6 대차 표면 압력 분포(첫번째 대차)
3.3 전두부/후미부 저항 앞 절에서 분석된 전두후/후미부 저항은 23.6%로서 전체저항 중 가장 큰 비중을 차지하지만 이것은 순수 한 전두부/후미부에 의해 발생하는 저항 뿐만 아니라 동력차 상부 및 하부의 공동 형상에서 발생하는 저항을 포함한 것이다. 전두부/후미부 저항의 발생 원인은 자유류가 전두부에 부딪쳐 발생하는 정체압력이 후미부에 서 완전히 회복되지 않아 발생하는 것으로서, 열차와 같이 길이가 긴 형상에서는 열차 길이를 따라 경계층이 성장하여 후미부에 도달할 경우에는 meter scale에 달하여 후미부 압력이 전두부 수준의 고압으로 회복되지 않기 때문에 더욱 두드러질 수 있다. 그림 7과 그림 8의 전두부와 후미부의 압력분포를 비교하여볼 때 전두 부에서는 고압의 영역이 확연하게 나타나지만, 후미부에서는 고압부의 분포가 적고 약한 것으로 보이며, 이는 후미부에서의 압력회복이 약하여 공기저항을 증가하는 요인이 되는 것으로 분석된다. 그림 7 전두부 압력 분포 그림 8 후미부 압력 분포 3.4 연결부 저항 앞서 ICE 열차에서는 연결부에 의한 저항이 7.5%에 불과하며, 이것은 ICE 열차의 차량 단면적이 모든 차 량에 대해 일정하기 때문에 순수한 연결부의 저항으로 볼 수 있다. KTX-II 열차의 경우에도 단면적이 같은 객차 간의 연결부 저항의 비중은 11.0%로서 ICE 열차보다 약간 높은 수준으로 그림 9와 그림 10에 나타난 연결부 전후 면의 압력분포가 약간의 차이만을 보임을 알 수 있다. 그러나 동력차와 동력객차의 연결부에 있 어서는 단면적의 차이가 존재하며 또한 집전장치들을 설치하기 위한 공동구조가 있기 때문에 큰 압력저항이 발생함을 그림 11과 그림 12를 통해 볼 수 있다. 동력차와 동력객차의 사이의 연결부 공동구조에 의한 공기 저항은 전체 공기저항의 23.2%를 차지할 정도로 크며, 이것은 두 번째로 큰 공기저항 요소로 작용한다. 그림 9 연결부 압력 분포(객차 간, 수풍면) 그림 10 연결부 압력 분포(객차 간, 후면)
그림 11 연결부 압력 분포(1번-2번 차량 간) 그림 12 연결부 압력 분포(9번-10번 차량 간) 4. 결론 본 연구에서는 현재 개발 중인 HEMU 고속철도차량의 견인력 곡선과 주행저항식을 이용하여 견인력 의 증가 없이 최고속도 500km/h를 달성하기 위한 공기저항 저감 목표를 도출하였다. 연구 결과에 따르 면, - 평지 주행을 기준으로 현재의 최고속도는 432 km/h이며, 공기저항을 37% 저감할 경우 최고속도 를 501 km/h로 향상시킬 수 있다. - 터널 주행 시에는 공기저항이 증가하기 때문에 현재의 최고속도는 394 km/h이며, 공기저항을 50%로 저감할 경우 최고속도 498 km/h로 향상된다. - 터널 구간의 비중이 높은 경우 정상 상태에서의 공기저항 저감과 별도로 터널 내에서의 공기저항 에 대한 분석과 저감 노력이 필요할 것으로 보인다. 전산유체역학을 이용한 차량 주위 유동장 해석 결과를 이용하여 공기저항의 구성 성분을 분석하고 구 성 성분 간 공기저항 저감 달성 방안에 대해서도 연구한 결과, - 열차의 경계층 성장에 따른 영향으로 마찰저항 및 대차저항은 뒤로 갈수록 작아지는 것으로 나타 났으며, 이들 두 공기저항 성분의 경우에는 전방을 위주로 저감대책을 적용하는 것이 효율적이다. - 전두부/후미부 압력저항을 저감하기 위해서는 후미부에서의 압력회복을 위한 형상 설계 또는 유동 제어가 효과적일 것으로 보인다. - KTX-II 열차의 경우에는 상부의 팬터그래프 설치를 위한 공동구조가 공기저항을 크게 발생시키는 것으로 나타났으며, 고속열차에서는 차량 간 단면적을 일정하게 유지하고, 팬터그래프를 상부에 함 몰하여 설치하는 것이 공기저항 측면에서 유리할 것으로 보인다. 후 기 본 연구는 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원에서 위탁시행한 차세대고속철도기술개발사 업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다. 참고문헌
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