THE AERO-ACOUSTIC ANALYSIS FOR EACH PART OF DOUBLE ARM PANTOGRAPH OF HIGH SPEED TRAIN

1. 서 론

2004년 처음 운전을 시작한 경부고속열차(KTX)를 시작으 로 우리나라의 고속철도는 현재까지 지속적으로 발전해 왔으 며 그와 함께 고속철도의 주행속도 또한 꾸준히 증가하고 있 다. G7고속전철기술개발사업을 통해 개발된 한국형 고속열차 (HSR-350X)를 통해 개발된 KTX-산천의 경우 시험 최고속도 가 352 km/h를 기록했으며 현재 개발중인 차세대 고속열차 (HEMU-430X)의 시험 최고속도는 400 km/h를 넘어섰다. 이처

럼 고속열차의 주행속도를 높이기 위한 기술개발에는 여러 어려운 점이 있겠지만 그 중에서도 주행속도의 6~8승에 비례 해 증가하는 것으로 알려진 공력소음은 열차의 주행속도가 300 km/h를 넘어서게 되면 열차 전체에서 가장 지배적인 소 음원이 되므로 그에 대한 분석 및 컨트롤이 반드시 필요한 부분이다[1]. 특히 열차 지붕 위로 돌출되어 복잡한 구조를 갖는 팬터그래프는 고속철도의 가장 큰 소음원으로 다뤄지고 있으며 소음의 경우 로그단위로 계산되어 지기 때문에 소음 을 발생시키는 지배적인 부재가 있다면 이외의 부재에서 소 음을 저감시키더라도 전체 소음의 감소폭에 큰 영향을 미치 지 않으므로 부재별 소음특성에 대한 연구는 저소음 팬터그 래프를 개발하는데 있어서 반드시 선행되어야 할 부분이다. Wakabayashi et al.[2]은 방음벽을 이용한 팬터그래프 시스템의 소음저감에 대한 연구를 수행하였고, Ikeda and Takaishi[3]와

전산해석을 통한 고속철도 더블암 팬터그래프의 부재별 공력소음특성 연구

이 상 아,

¹

²

³

⁴

^*5

1서울대학교 기계항공공학부

2동양미래대학교 기계공학부

3국방과학연구소 1본부

4한국항공우주연구원 공력성능팀

5서울대학교 기계항공공학부 항공우주신기술연구소

T HE A ERO- A COUSTIC A NALYSIS FOR E ACH P ART OF D OUBLE A RM P ANTOGRAPH OF H IGH S PEED T RAIN

S.A. Lee,

H.M. Kang,

Y.B. Lee,

C.W. Kim

and K.H. Kim

1Dept. of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul Nat. Univ.

2Dept. of Mechanical Engineering, Dongyang Mirae Univ.

31^st R&D Institute, Agency for Defense Development

4Aerodynamics Team, Korea Aerospace Research Institute

5Dept. of Mechanical & Aerospace Engineering/Institute of Advanced Aerospace Technology, Seoul Nat. Univ.

In this study, an aero-acoustic analysis around pantograph of a high speed train is performed. Computational technique and grid system is validated with wind tunnel test result and unsteady acoustic pressure data are used for analyzing noise level of each part of pantograph. FLUENT is used for flow analysis and LES(Large Eddy Simulation) is applied for analyzing turbulent flow. For acoustic analysis, Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) acoustics model is used and it bring the aero-acoustic characteristic of pantograph. As the result, contact strip, knee, substructure of pantograph is confirmed as a main source of aero-acoustic noise and it is dealt in various frequencies. The result is expected to help building improved grid system.

Key Words : 팬터그래프(Pantograph), 공력소음(Aero-Acoustics), 고속열차(High Speed Train)

Received: May 21, 2015, Revised: June 17, 2015, Accepted: June 17, 2015.

* Corresponding author, E-mail: [email protected] DOI http://dx.doi.org/10.6112/kscfe.2015.20.2.061

Ⓒ KSCFE 2015

Fig. 1 Pantograph(top) and pantograph grid system(bottom)

Kurita et al.[4]은 팬터그래프 자체의 소음저감을 위한 형상개 발에 대한 연구를 수행하였다. Holmes et al.[5]은 팬터그래프 커버를 이용한 소음저감에 관한 연구를 하였으며 Lee et al.[6,7]과 Kang et al.[8,9]은 팬터그래프의 소음특성 및 커버 시스템에 대한 풍동시험을 수행하였다.

본 연구에서는 실제 팬터그래프 형상에 대하여 전산해석을 수행하고 비정상 유동해석으로부터 얻은 음압 data를 이용하 여 소음분석을 수행하였다. 해석 결과는 풍동 시험결과와 비 교를 통해 전산해석을 통한 유동 및 소음 특성 분석방법에 대한 신뢰성을 검증하였고 소음측정위치가 자유로운 전산해 석의 장점을 이용해 팬터그래프 주위의 소음수준을 직접적으 로 측정함으로서 팬터그래프의 각 부재별 공력특성 및 주파 수별 소음 특성을 조사하였다. 그리고 본 연구에서는 주파수 별 지배적인 소음원을 파악하여 이후 저소음 팬터그래프 개 발에 필요한 기초자료를 제공하고 소음해석 정확도가 떨어지 는 부재를 파악하여 개선된 격자시스템을 형성하는데 도움이 될 수 있는 방안을 제시하였다.

2. 본 론

2.1 수치해석 기법

본 연구에서 사용된 팬터그래프 모델 및 격자시스템은 Fig.

1과 같다. 해석의 효율성을 위해 가운데를 대칭면으로 한 격 자계를 사용하였으며 비정렬격자계인 내부영역과 정렬격자계

. 그 이외의 경계는 모두 symmetric condition을 사용하였다.

2.1.2 유동

본 연구에서는 상용코드인 FLUENT를 이용하여 3차원 비 압축성유동에 대한 해석을 수행하였다. 먼저 K- SST 난류 모델을 이용한 정상 상태 유동 해석을 통해 유동을 어느 정 도 수렴시킨 이후 LES 난류모델을 이용해 비정상 상태 유동 에 대한 해석을 10^-4씩 0.4초까지 수행하였다. K- SST 난류 모델은 Wall 근처에서 K- 모델을, Far field에서 k- 모델을 사용하도록 한 난류모델로 비교적 정확하면서도 효율적인 계 산이 가능해 해를 수렴시키기 위한 난류모델로 적합하다. LES 난류모델은 큰 스케일의 와류에 대해서는 직접 계산을 하고, 작은 스케일의 와류에 대서는 난류 점성 모델을 사용하 여 계산을 수행하여 박리 및 와류 예측에 뛰어나기 때문에 정확한 소음측정을 위한 모델로 적합하다. 본 논문에서는 작 은 스케일의 난류점성 계산을 위해서 Smagorinsky-Lilly 모델 을 적용하였다.

_ 















(1)

여기에서







2.1.3 소음

본 연구에서는 Ffowcs Williams와 Hawkings에 의해 제안된 FW-H 모델을 이용하여 공력소음 해석을 수행하였다. 질량 및 운동방정식은 다음과 같다[10].

_^



^

′ ∇^′  __

^



^



 _

 

^

 

^_ _ _

Fig. 2 Computational domain for noise measurement

Fig. 3 Velocity contour

Fig. 4 Vorticity contour







_

 _

_

 



_

_



여기서 ′ 은 원방에서의 음압, _는 원방에서의 음속, 

는 dirac delta function,







Fig. 5 Vorticity contour at each part

향은 고려하지 않으며, FLUENT를 이용해 비정상 유동 해석 을 수행한 후 FLUENT의 FW-H 모델을 이용하여 소음해석을 수행하였다. 이 때 Nyquist frequency는 비정상 유동 해석의 시간 간격에 의해 결정되며 식 (3)과 같다.

_max ∆

 (3)

선행연구[11]의 풍동 시험 결과를 통해 팬터그래프의 주요 소음은 5000 Hz이하에 주요하게 나타나므로 계산 효율을 위 해 5000 Hz까지 분석이 가능한 10^-4 s를 time step으로 선정하 였다.

일반적으로 풍동시험을 통해 소음원을 파악하기 위해서는 Beamfoaming기법을 사용한다. Beamfoaming 기법이란 microphone array에서 측정된 신호가 갖는 위상정보를 활용하여 소음이 발생하는 위치를 파악하는 방법이다. 하지만 전산해석의 경우 microphone의 위치가 유동흐름에 영향을 주지 않으므로 직접 적인 소음 측정이 가능하다. 본 연구에서는 Fig. 2에서 처럼 팬터그래프를 2등분 하는 중앙면 전체에서 팬터그래프 모델 전체를 포함하도록 하는 3 m x 5 m의 domain을 설정하고 224개 점에서 소음을 계산하였다.

2.2 해석 결과

해석은 정상 주행조건인 close knee 상태에 대해 수행하였 다. Fig. 3와 Fig. 4는 해석을 시작한 후 0.4 s에서 팬터그래프 고 있는 모습을 관찰 할 수 있다. Fig. 5는 각 부재 및 부재에

(a) FFT analysis at position 1

(b) FFT analysis at position 2

Fig. 7 FFT analysis at position 1(top) and 2(bottom)

주변의 속도 및 vorticity contour를 나타낸 것으로 집전판, 관 절부, 팬터그래프 하부 등을 통과한 유동에서 교란이 발생하 서 발생하는 vorticity는 확대해 나타낸 것이다. 팬터그래프는 직경 및 크기가 다른 실린더 혹은 가로세로비가 큰 beam형상 을 가지고 있는 부재가 많아 직경 및 크기에 따라 서로 다른 주파수에 대한 소음 특성을 나타낼 것을 예측 할 수 있다.

Fig. 8 Overall noise distribution

실험값과의 비교를 위한 소음 측정위치는 Fig. 6와 같이 팬터그래프 집전판과 집전판의 전방에 위치하며 측면방향으 로는 팬터그래프 중앙으로부터 5 m 떨어진 곳에 위치한다.

Fig. 7은 각 측정점에서 음압 data를 1/3 octave band filter로 FFT analysis한 결과로 주파수별 소음 특성을 보여주며 Table 1은 각각의 측정점에서 전체적인 소음 수준을 비교한 것이다.

전체적인 소음수준은 약 8 dB(A)의 차이가 나며 고주파수 영 역에서는 실험결과보다 약 10 dB 정도 소음 수준이 낮게 예 측된다. 이는 공력 모델 구성 시 형상을 단순화 한 것에서 기 인하며 LES 모델의 특성상 격자 크기보다 작은 난류 스케일 에 대해서는 모사가 힘들기 때문에 고주파수 영역대에서 다 소 차이를 보일 가능성이 있다. 그러나 정성적인 소음 특성은 실험에서의 경향성을 잘 따라가고 있음을 확인할 수 있다. Panto는 전산해석 결과를 의미한다.

Fig. 8은 해석을 시작한 후 0.4 s에서의 팬터그래프 주변 소음 해석 결과로 60 Hz부터 5000 Hz까지의 overall noise 분

Position 1 Position 2 Difference of

noise level 8.2 dB(A) 8.9 dB(A) Table 1 Difference of noise level between experiment and analysis

results Fig. 6 Microphone location

Fig. 10 Dominant noise source about frequency

포를 나타낸다. 이를 통해 집전판과 관절부, 팬터그래프 하부 가 주요 소음원 임을 알 수 있다.

Fig. 9은 주파수에 따른 팬터그래프의 소음분포를 나타낸 다. 주파수에 따라 주요 소음발생부가 달라지는 것을 확인 할 수 있다. 250 Hz 이하 저주파수 영역에서는 팬터그래프 하부 가, 400 Hz, 645 Hz에서는 집전판이 주요 소음원이 되고 있 다. 635 Hz때부터 관절부에서의 소음이 두드러지기 시작하고 있으며 1600 Hz대까지는 관절부에서 발생하는 소음의 강도가

가장 강한 모습을 보인다. 2000 Hz 이상 주파수대에서는 각 소음부의 강도는 비슷해지고 전체적인 소음은 감소하고 있음 을 알 수 있다. Fig. 10은 주파수별 소음 수준과 주요 소음원 을 같이 비교한 것이다.

3. 결 론

고속열차 팬터그래프 시스템의 공력 소음 저감을 위한 기 초연구로 소음풍동 실험에서 사용하였던 팬터그래프 시스템 에 대해 400 km/h에서의 유동 조건을 가지고 공력 소음에 대 한 해석을 수행하였다. 그 결과 팬터그래프의 공력 소음 수준 이 실험값과 약 8 dB(A) 정도 차이를 보였으며 주파수별 소 음 특성이 실험 결과와 비슷한 패턴을 보임을 확인하였다. 이 를 통해 본 연구에서 구성한 격자 시스템 및 해석 기법의 설 정이 실제 팬터그래프의 공력 소음 예측에 활용 가능함을 확 인하였다. 또한 추후 더욱 정확한 전산해석 결과를 위한 개선 된 격자시스템을 구성하기 위한 연구로서 주파수별 주요 소 음원에 대한 분석을 수행하였다. 그 결과 팬터그래프에서 소 음을 발생시키는 주요 소음원이 집전판과 관절부, 팬터그래프 하부임을 확인하고 각 부재가 주파수에 따라 각각 다른 소음 특성을 가지고 있음을 확인하였다.

(a) 65 Hz (b) 101 Hz (c) 160 Hz

(d) 252 Hz (e) 400 Hz (f) 635 Hz

(g) 1010 Hz (h) 1600 Hz (i) 2520 Hz

Fig. 9 Noise distribution according to the frequency

References

[1] 2012, Thompson, D., "Noise from high speed trains," KRRI

International Workshop on High Speed Trains, Seoul,

[2] 2008, Wakabayashi, Y., Kurita, T. and Horiuchi, M.,

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EAST Technical Review, No.12, pp.28-33.

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[8] 2011, Kang, H.M., Cho, T.H., Kim, C.W., Yoon, S.H., Kwon, H.B. and Park, C.S., "The Aerodynamic Analysis of Pantograph of the Next Generation High Speed Train," 2011

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[9] 2011, Kang, H.M., Kim, C.W., Cho, T.H., Kim, D.G., Yoon, S.H. and Kwon, H.B., "The Aero-acoustic Analysis of Pantograph of A High Speed Train," 2011 Fall Conference

of the Korean Society for Computational Fluids Engineering,

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[11] Cho, T.H., Hwang, E.S., Kim, Y.W., Kim, C.W. and Choi, Y.M., "Aeroacoustic test for the high speed train pantograph in the KARI LSWT open jet test section," The korea

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