Experimental Study on Aerodynamic Drag Characteristics by Train Bogie Shape Variation

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† 교신저자, 서울대학교 기계항공공학부 교수, 항공우주신기술 연구소

E-mail : [email protected]

* 서울대학교 기계항공공학부

** 서울대학교 기계항공공학부 부교수

*** 공군사관학교

차세대 고속열차 대차 형상에 따른 공기저항 변화에 대한 실험적 연구

Experimental Study on Aerodynamic Drag Characteristics

by Train Bogie Shape Variation

곽민호* 이영빈* 이정욱* 김규홍** 이동호† 정형석*** 장영일*** 권혁빈****

Min-Ho Kwak Yeong-Bin Lee Jung-Uk Lee Kyu-Hong Kim Dong-Ho Lee Hyoung-Seog Chung Young-Il Jang Hyeok-Bin Kwon

ABSTRACT

Wind tunnel tests are performed so as to investigate the aerodynamic drag characteristics of HEMU-400x, next generation Korean high speed train. The experiments of 1/20 scaled 5-car train model are done at 30, 40, 50, 60m/s with a normal bogie, a bogie cover, and a streamlined shape. The flat plate with knife edge are installed to minimize the effect of boundary layer of wind tunnel for the train model. The aerodynamic drag reduction was more by a streamlined shape than by a bogie cover from a normal bogie. Based on the experimental results, the aerodynamic drag of HEMU-400x test train(6-car) was predicted. It is prediceted that More bogie cover could reduce more aerodynamic drag of the test train in replacement of normal bogies.

1. 서 론

2004년 KTX가 도입된 이후로 고속전철은 친환경적인 특징을 지닌 대표적인 교통수단으로 이용되고 있다.

현재 운행 중인 KTX 열차는 300km/h로 운행되고 있고 개발 중인 차세대 한국형 고속열차 HEMU-400x의 설계 속도는 430km/h로서 음속의 약 0.3을 넘는 매우 높은 속도이다.

그림 1 ICE 열차의 공기저항 성분 분석[1]

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고속열차의 주행속도가 증가함에 따라 주행 저항 역시 속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 또한 주행 저항 중 차지하는 공기저항의 비율도 증가하게 된다. HEMU-400x의 설계 속도 430km/h에서 전체 주행 저항에 대한 공기저항의 비율은 약 80%이상이 되어 열차의 고속운행을 위해서는 공기저항을 줄이는 고려가 필수적 이다.[1] 고속열차의 공기저항은 전두부 및 후미부 외부 형상, 객차 연결부, 팬터그래프, 열차의 단면적 및 표면 면적 그리고 열차의 하부 형상등의 열차의 외부형상에 의해 대부분 결정된다.

고속열차의 공기저항에 영향을 미치는 여러 가지 요소 중에서 복잡한 형상으로 인해 복잡한 난류를 형성하 여 공기저항을 증가시킨다. Raghunathan에 따르면 ICE 열차의 공기저항 성분을 분석한 결과 하부 형상이 공 기저항에서 차지하는 비중이 매우 큰 것으로 나타났다.[1] 하지만 열차의 주행 안정성 확보에 가장 핵심적인 대차는 열차의 공기저항을 줄이기 위한 목적으로 형상을 변화시키는 것이 매우 어려운 실정이다. 이런 대차 의 공기저항을 감소시키기 위해 시도되는 것이 대차 커버를 이용하여 대차에 흡입되는 유동을 제어하여 열차 의 공기저항을 줄이는 방법이다.

본 연구에서는 대차 커버에 의한 열차의 공기저항 특성을 알아보기 위해 HEMU-400x 축소모델의 풍동실 험을 수행하였다. 열차의 대차 형상을 일반 대차, 대차 커버, 유선형의 3가지 다른 형상을 이용하여 변화시켜 가며 열차의 공기저항의 변화를 살펴보았다.

2. 실험 방법 및 조건

본 연구에서는 현재 개발중인 차세대 한국형 고속열차 HEMU-400x의 1/20 스케일 축소모델 5량을 이용하여 풍동실험을 수행하였다. 5량 축소모델은 전두부(1호차) 1량, 중간 객차(2,3,4호차) 3량, 후미 부(5호차) 1량으로 구성되었으며 각 차량마다 두 개씩 보유하는 대차 부분을 교체할 수 있게 제작하였 다. 대차 형상은 일반 대차(Bogie), 대차 커버(Bogie Cover), 유선형(Streamlined)의 세 가지 형상을 각각의 대차 부분에서 교체하며 실험을 수행할 수 있게 하였다.

그림 2 열차 대차 형상

풍동실험은 공군사관학교의 중형 아음속 풍동에서 수행되었다. 시험부의 크기는 2.45m(높이) 3.50m (너비)×8.70m(길이)이며, 난류강도는 74m/s에서 0.076%이다. 실험 모델의 Blockage Ratio는 약 0.3%이 다.

열차와 같은 지상 운송체의 경우 풍동실험을 수행하기 위해서 풍동 벽면에서 발생하는 지면 경계층을 제거하여야 한다. 5량 모델의 경우에는 길이가 약 6.3m로써 공군사관학교 아음속 풍동의 지면 경계층 제거장치를 이용할 수 없다. 5량 모델을 포함할 수 있는 약 6.5m 길이의 knife edge로 끝단을 처리한 지면판을 풍동 바닥면에서 120mm 높이에 설치하여 풍동 벽면에 의한 지면 경계층을 제거하고 실험을 수행하였다.

풍동 실험은 실험 속도 30, 40, 50, 60m/s에서 대차 부분을 교체해 가면서 각 차량별로 축력(Axial

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그림 3 HEMU-400x 모델 풍동 설치

3. 실험 결과

3.1 전두부(1호차)

그림 4 전두부의 첫번째 대차 형상에 따른 공기저항 분포

그림 5 전두부의 두번째 대차 형상에 따른 공기저항 분포

그림 4는 5량 모델의 첫 번째 차량인 전두부(1호차)의 2번 대차의 형상을 일반 대차(Bogie)로 동일 하게 두고 1번 대차의 형상에 따른 공기저항 변화를 보여주고 있다. 가장 크게 나타나는 일반 대차 (Bogie) 형상일 때의 공기저항을 기준으로 유선형(Streamlined) 형상에 의한 공기저항 감소 효과가 가 장 크게 나타나고 있으며, 대차 커버(Bogie Cover)에 의한 감소 효과는 다소 미미하게 나타나고 있다.

그림 5는 반대로 전두부의 1번 대차의 형상을 일반 대차(Bogie)로 동일하게 두고 2번 대차의 형상에 따른 공기저항의 변화를 나타낸다. 유선형(Streamlined)에 의한 공기저항 저감 효과가 가장 크게 나타 나고 있는 것을 확인할 수 있다.

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3.2 후미부(5호차)

그림 6 후미부의 첫번째 대차 형상에 따른 공기저항 분포

그림 7 후미부의 두번째 대차 형상에 따른 공기저항 분포

그림 6은 5량 모델의 마지막 차량인 후미부(5호차)의 2번 대차의 형상을 일반 대차로 동일하게 두고 1번 대차의 형상에 따른 공기저항 변화를 보여주고 있다. 가장 크게 나타나는 일반 대차(Bogie) 형상일 때의 공기저항을 기준으로 유선형(Streamlined) 형상에 의한 공기저항 감소 효과가 전두부(1호차)의 경 우와 같이 가장 크게 나타나고 있다. 그림 7은 반대로 후미부의 1번 대차의 형상을 일반 대차(Bogie)로 동일하게 두고 2번 대차의 형상에 따른 공기저항의 변화를 보여주고 있다. 1번 대차에서와 같이 유선형 (Streamlined)에 의한 공기저항 저감 효과가 가장 크게 나타난다.

3.3 중간 객차(3호차)

그림 8 3호차의 대차 형상에 따른 공기저항 분포

그림 8은 중간 객차 3량 중의 가운데의 차량인 3호차의 대차 형상에 따른 공기저항 변화를 나타낸 그래프이다. 대차 커버(Bogie Cover)에 의한 저감 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

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4. Discussion

Case

열차 대차 형상 1호차 감소율

2호차 3호차 4호차 5호차

6호차 1번대차 2번대

차 1번대차 2번대차

1 일반

대차

일반 대차

일반

대차 0

2 대차

커버

일반 대차

대차

커버 3.0%

3 대차

커버

대차 커버

일반 대차

대차 커버

대차

커버 4.6%

4 대차

커버

대차 커버

일반 대차

대차 커버

대차

커버 8.6%

5 대차

커버

대차 커버

대차

커버 9.7%

표 1 대차 커버로 인한 열차 모델의 공기저항 감소율

실험 결과를 바탕으로 현재 개발 중인 차세대 한국형 고속열차의 공기저항을 예측하고 대차 커버에 따른 영향을 살펴보았다. 6량의 시제차량의 공기저항을 예측하기 위해 실험모델의 3번 차량의 공기저항 을 2배로 계산하였다. 실험모델의 스케일보정과 속도 계산을 통해 설계 속도인 430km/h에서의 공기저 항을 계산하여 표 2에 비교하였다. 표2에 나타난 바와 같이 열차의 대차 형상이 모두 일반 대차인 경우 에 비교하여 끝부분에서 중간 객차 방향으로 대차 커버 형상으로 교체해 갈수록 공기저항의 감소율이 점점 증가하는 것을 확인할 수 있다.

5. 결 론

현재 개발 중인 차세대 한국형 고속열차(HEMU-400x)의 1/20 스케일 5량 축소모델을 이용하여 대 차 형상에 의한 공기저항 특성 변화에 대한 풍동실험을 수행하였다. 풍동 실험을 수행한 결과 대차의 형상에 따라 공기저항이 변화하는 것을 알 수 있었으며 옆면에서의 흐름을 막아주는 대차 커버 형상에 의한 저감 효과보다 옆면과 밑면에서의 유동을 모두 조정하며 복잡한 대차 형상 자체가 없는 유선형 형 상에 의한 저감 효과가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. HEMU-400x 시제차량의 공기저항을 예측한 결과 일반적인 대차 형상으로 흘러가는 유동이 대차 커버에 의해 더 많은 부분에서 조절될수록 전체 열차의 공기저항의 감소 효과도 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 서울대학교 “차세대 기계항공시스템 창의설계 인력양성사업단” 및 국토해양부 “미래철도 기술개발사업”(과제번호 07차세대고속철도A01)의 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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참고문헌

1. Raghu S. Raghunathan, H.D. Kim, T. Setoguchi, "Aerodynamics of high-speed railway train", Progress in Aerospace Sciences, Vol.38, pp.469-514, 2002.

2. Hyeok-bin Kwon, Dong-ho Lee, and Je-hyun Baek, "An Experimental Study of Aerodynamic Drag on High-speed Train", KSME International Journal, Vol.14, No.11, pp.1267-1275, 2000.

3. Atsushi Ido, Yoshihiko Kondo, Tsuyoshi Matsumura, Minoru Suzuki, and Tatsuo Maeda, "Wind Tunnel Tests to Reduce Aerodynamic Drag of Trains by Smoothing the Under-floor Construction", QR of RTRI, Vol.42, No.2, pp.94-97, 2001.

4. Giampaolo Mancini, Antonio Malfatti, Angelo G. Violi, and Gerd Matschke, "Effects of experimental bogie fairings on the aerodynamic drag of the ETR 500 high speed train", Proc. of the World Congress on Railway Research (WCRR 2001), 2001.

5. H.B. Kwon, Y.H. Park, D.H. Lee, M.S. Kim, "Wind tunnel experiments on Korean high-speed trains using various ground simulation techniques", Journal of Wind Engineering and Industiral Aerodynamics Vol. 89, Issue 13, pp.1179-1195, 2001

6. 곽민호, 윤수환, 이영빈, 허도영, 김규홍, 이동호, "전두부 대차 커버에 의한 차세대 고속열차 공력특성 연구“, 한국철도학회 2010 추계학술대회 논문집, 2010.

7. 황재호, 이민섭, 이동호, 김종암, “실험적, 수치적 방법을 이용한 고속전철 주변의 유동장 연구”, 한국 항공우주학회지, 제28권, 제7호, pp. 32~39, 2000.

8. 곽민호, 이영빈, 이정욱, 김규홍, 이동호, 정형석, 장영일, 권혁빈, “대차 형상 변화에 의한 차세대 고 속열차 항력 특성에 대한 실험적 연구”, 한국항공우주학회 2011 춘계학술대회 논문집, 2011