A STUDY ON THE AERODYNAMIC EFFECTS WHEN A HIGH-SPEED TRAIN PASSING THROUGH AN UNDERGROUND STATION USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

1. 서 론

수도권고속철도는 경부고속선의 수송능력 향상 및 수도권 승객의 접근성 향상을 위하여 수서에서 평택 사이에 건설되 는 약 60 km 연장의 고속선으로서 구간의 대부분인 수서-지 제 간 50.3 km의 율현터널은 세계에서 3번째로 긴 철도터널 로서 지하에 건설되고 있다. 또한, 추진 도중 확정된 광역급 행철도(GTX) 계획에 따라 수도권고속철도의 수서-동탄 구간 은 광역급행철도와 공유하도록 설계 및 시공의 보완이 이루 어졌다. 결과적으로 수도권고속철도 동탄정거장은 수도권고속 철도의 중간역임과 동시에 광역급행철도의 종착역이기 때문

에 지하에 건설된 2개의 주행선과 함께 고속선용 정차선 2개 및 광역급행철도용 정차선 2개 등 총 6개의 선로를 갖게 되 었으며, 정거장 각 끝단에는 환기구가 각각 설치되어 선로 간 공기의 이동이 가능하게 되어 있다. 또한, 동탄정거장은 고속 열차의 무정차 통과에 따른 공기역학적 영향을 저감하기 위 하여 주행선과 정차선 사이에 격벽이 설치되었고, 격벽에는 일정한 간격으로 유지보수용 통로가 있으며, 이외에도 열차 정차시 PSD가 열리는 경우는 터널 구간과 승강장의 유동이 직접적으로 연결되는 등 매우 복잡한 형상과 구조를 갖고 있 다. 운행 열차는 수도권고속철도의 경우 KTX-산천이며 동탄 정거장 구간 통과 속도는 300 km/h인데, 지하 정거장을 열차 가 300 km/h의 고속으로 통과하는 경우는 세계에서 유례가 없이 극한 조건이다.

이처럼 고속열차가 운행하는 장대터널 및 지하정거장에서 발생하는 공기역학적인 영향을 검토하는 것은 시설물과 승객 의 안전 및 쾌적성을 위하여 반드시 필요한 일이다. 열차가

고속열차의 지하정거장 통과 시 발생하는 공기역학적 영향에 대한 전산유체해석 연구

임 광 만, 김 영 매, 방 명 석, 권 혁 빈^*

한국교통대학교 교통대학원

A S TUDY ON THE A ERODYNAMIC E FFECTS WHEN A H IGH- S PEED T RAIN P ASSING THROUGH AN U NDERGROUND S TATION USING C OMPUTATIONAL F LUID D YNAMICS

K.M. Lim, Y.M. Kim, M.S. Bang and H.B. Kwon

Dept. of Transportation System Engineering, Korea National University of Transportation

Dong-tan Station, shared by high-speed railway and urban express railway, is a very complicated underground station having 6 tracks together with barrier and shafts between them, therefore it seems very hard to investigate the aerodynamic effects including the pressure variation and train gust in the station when a high-speed train runs through it. In this study, the aerodynamic effects on the structures and platform passengers when a high-speed train runs through an underground station have been studied using Computational Fluid Dynamics. STAR-CCM+ has been employed for numerical simulation based on Navier-Stokes equation and 2-equation turbulence model and moving mesh scheme supported by STAR-CCM+ has also been used to represent the relative motion between a train and station. Based on the simulation results, the unsteady flow fields in the underground station induced by the high-speed train have been analyzed and the pressures on the PSDs and pressure variation at the platform have quantitatively assessed.

Key Words : 고속철도(High-speed railway), 지하정거장(Underground station), 압력 변동(Pressure change), 승객 이명감(Passenger ear discomfort), 공기역학(Aerodynamics)

Received: November 2, 2016, Revised: November 15, 2016, Accepted: November 17, 2016.

* Corresponding author, E-mail: [email protected] DOI http://dx.doi.org/10.6112/kscfe.2016.21.4.061

KSCFE 2016

장대터널 및 지하정거장을 운행할 경우 개활지에 비하여 공 기역학적 영향이 증대되며, 특히 지하정거장의 경우 열차 통 과 시 피스톤 효과로 인한 공기압력의 변동과 기류가 발생하 기 때문에 지하공간 내의 대기승객에 미치는 이명감과 스크 린도어(Platform Screen Door, PSD) 등 각종 시설물에 미치는 영향에 대하여 검토할 필요성이 있다. 하지만 앞서 밝혔듯이 동탄정거장은 매우 복잡한 구조를 갖고 있으며, 지하 정거장 임에도 열차가 300 km/h의 고속으로 통과할 수 있도록 설계 되었으므로 종래의 도시철도 지하 정거장에서 보여지는 피스 톤 효과에 의한 기류의 형성과 압력변동에 더하여 압축성 유 동(Compressible flow)의 특징인 압력파(Pressure wave)도 발생 이 가능하기 때문에 정확한 평가와 예측이 쉽지 않다.

이러한 공기역학적 영향을 파악하고 해결하기 위한 방법으 로 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용 한 수치적 시뮬레이션, 축소모형 실험, 현장시험 등의 방법이 있을 수 있다. 이 중 전산유체역학은 실험적으로 구현하기 힘 들고 비용과 시간이 많이 드는 공기역학 현상을 연구하기 위 하여 널리 사용되는 방법이다.

지하정거장을 열차가 통과하는 문제에 대하여 국외에서 CFD가 적용된 연구로는 홍콩의 올림픽 역사를 대상으로 Wu[1]가 고속철도 차량이 최고속도 300 km/h로 통과 시 승강 장 압력변동을 3차원 수치해석으로 예측하여 정거장 양단의 압력완화 환기구 및 정차선로와 통과선로를 분리하는 격벽의 설치를 제안하였다. 또한 독일의 U6 Stuttgart, 영국의 LU(London Underground) 및 크로스레일(Cross Rail)에서는 터 널 내 온도조절을 위해 Geothermal 라이닝 기술을 적용한 사 례가 있다. 특히, 영국의 LU에서는 2000년대 이후 터널구간에 온도상승이 심각한 문제로 대두되자 터널 내 온도를 낮추기 위한 노력을 강구하고 있는 실정이며, 영불해협터널(Channel tunnel)에서는 터널 내 온도를 낮추기 위해 water pipe를 터널 양 측면에 설치하였다[2].

국내에서도 경부고속철도 건설과 관련하여 고속열차가 지 상역사를 통과하는 경우 승객의 안전과 쾌적성을 위한 역사 내부의 풍압 환경에 관한 연구가 수행되어 설계 자료로 활용 된 바 있다[3-5]. 지하 구간의 경우에는 경부고속선과 호남고 속선 터널을 대상으로 압력파 및 승객 이명감에 관한 2차원 축대칭 해석과 3차원 해석 연구가 주로 수행되었다[6-8]. 한편 도시철도의 경우에는, 지하정거장의 PSD에 작용하는 풍압을 CFD를 이용하여 수치해석을 수행하여 열차가 승강장에 진입 한 후 PSD에 미치는 풍압을 유체 유동 해석 프로그램으로 분 석하였으며, 또한 도출된 결과를 구조해석 프로그램에 적용하 여 구조 안정성 평가를 수행한 바 있다[9-11].

본 연구는 고속철도 최초의 지하 정거장인 동탄정거장에 대하여 KTX-산천 고속열차가 300 km/h의 속도로 통과하는

경우에 나타나는 공기역학적 영향을 살펴보기 위하여 상용 전산유체해석 프로그램인 STAR-CCM+으로 전산유체역학 시 뮬레이션을 수행하였다. 전산유체해석을 위하여 터널구간과 환기구, 승강장, 대합실 등을 포함한 지하 정거장을 3차원으 로 모델링하였으며, 열차의 편성 및 단독 주행 및 교행 등의 조건을 고려한 3개의 시나리오에 대하여 비정상(Unsteady) 3 차원 Navier-Stokes 방정식을 이용한 시뮬레이션을 수행하였 다. 열차와 정거장의 상대적 운동을 고려하기 위하여 열차 주 위와 열차의 이동 궤적을 포함하는 이동격자계를 상대적으로 운동시키면서 계산을 수행하였으며, 이동격자계와 정지격자계 간의 경계조건의 교환은 보존적으로 처리될 수 있도록 하였 다. 계산 결과를 이용하여 고속으로 열차가 통과할 때 지하정 거장에서 발생하는 비정상 유동장의 특성을 상세히 분석하였 고 스크린도어에 가해지는 압력과 승강장 내부의 압력 변동 을 정량적으로 평가하여 정거장 내 구조물 및 플랫폼 대기 승객에게 미치는 공기역학적 영향을 살펴보았다.

2. 전산해석 조건

2.1 지배방정식 및 수치해법

본 전산해석을 위한 지배방정식은 3차원 비정상 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며, 유한체적법을 적용하기 위하여 임의의 제어체적(control volume)에 대한 적분형(integral form)으로 나타난 아래 식 (1)을 사용하였다.



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여기서 각 벡터는 다음 식 (2)와 같다.

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

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난류 점성계수의 계산을 위하여 k-ε 난류모델을 이용하였 으며, 점성효과에 의한 표면 마찰력은 차체의 등가 거칠기 (equivalent roughness height)를 이용하였다.

초기조건의 부여를 위하여 열차를 터널에 정지시킨 상태에 서 점차적으로 가속하여 정거장을 통과하는 완만한 출발조건 (Smooth starting) 조건을 부여하였다. 무한한 터널 내를 일정 속도로 주행하는 열차의 경우에는 정상해를 이용하여 비정상 유동장을 평가하거나[16,17] 정상해를 비정상 계산의 초기조

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

50 100 150 200 250 300 350

Velocity (km/h)

Time (Sec)

Fig. 1 Velocity profile of the train

건으로 부여할 수도 있으나, 터널이나 정거장을 통과하는 경 우와 같이 주기성이 없는 비정상 유동에서는 완만한 출발조 건이 작은 계산 영역을 이용하여 비교적 정확한 해를 제공하 는 것으로 알려져 있다[6-8]. Fig. 1에는 본 연구에 사용된 완 만한 출발조건(Smooth starting)의 시간에 따른 속도의 곡선이 나타나 있다. 여기서, 열차가 정지 상태에서 최고열차 운영속 도 300 km/h까지 10초 동안은 서서히 가속시키고, 그 이후는 300 km/h의 속도로 유지하며 정거장을 통과하는 것으로 설정 하였다.

경계조건의 경우, 물리적인 고체 벽면들에 대해서는 점착 조건(non-slip condition)을 부여하였으며, 분할된 각 영역들 간 의 경계에는 STAR-CCM+가 제공하는 non-conformal mesh에도 적용가능한 보존적(conservative) 유동 변수 교환이 매 계산 시 마다 이루어진다. 또한, 터널과 환기구의 끝단은 pressure-outlet 조건을 설정하였다.

2.2 해석기법 검증

본 연구와 같이 복잡한 구조의 지하정거장을 열차가 고속 으로 통과하는 경우 각 지점의 압력 및 유속 변화는 매우 짧 은 시간에 극심하게 나타나며, 그 경향을 단순화하여 파악하 기 매우 힘들다. 또한, 해당 역사는 열차 운행이 이루어지지 않는 건설 단계이기 때문에 실험적 결과는 아직 도출되지 않 은 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 동일한 수치해석 기법으 로 수행된 선행 연구[18]의 결과를 이용하여 간접적으로 해석 기법을 검증하였다.

선행 연구에서는 10량 편성의 KTX-산천 열차 및 경부고속 선 터널을 3차원으로 모델링하고 본 연구와 동일한 수치기법 을 이용하여 열차가 터널에 통과할 때 발생하는 터널 내 압 력변동을 계산하였으며, 계산 결과 열차에 적절한 등가거칠기 를 적용하면 열차의 진입에 의해 터널 내에 발생하는 압축파

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

-200 0 200 400 600 800 1000 1200

Pressure (Pa)

Time (Sec) FieldTest

RoughnessHeight 0.008m RoughnessHeight 0.005m RoughnessHeight 0.002m RoughnessHeight 0.001m RoughnessHeight 0.000m

Fig. 2 Compared with simulation and field measurement results[18]

의 현장 측정 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다(Fig. 2).

따라서, 선행 연구의 수치해석 기법은 열차가 지하정거장 을 통과하는 3차원 비정상 유체역학 문제에 적용이 가능한 것으로 판단하였으며, 본 연구에서는 열차 표면의 등가거칠기 를 현장시험 결과와 잘 일치하는 0.005 m로 적용하였다.

2.3 공기역학 모델링

수도권고속철도 동탄정거장은 지하 6층의 고속철도 및 광 역급행 열차의 승강장이며 총 연장은 412 m이다. 실제 시공 도면의 상세한 형상을 모두 반영하여 모델링을 수행할 경우, 해석 격자의 증가 및 그로 인한 해석 시간의 증가 등 전산해 석의 어려움을 가중시키므로 계산의 정확도에 영향을 크게 미치지 않으면서 수치해석의 효율성을 증대시킬 수 있도록 환기구 등 복잡한 구조물의 실제 형상들을 공기역학적 관점 에서 단순화하였다.

해석 영역은 아래 Fig. 3(a)와 같이 정거장 및 터널 접속부 를 포함하였으며, 단면적의 변화가 없는 터널 구간은 전후 1.5 km까지 해석 영역에 포함하였다. 또한 열차 통과에 따른 지하정거장에서의 압력변동을 분석하는데 있어서 지하 4층 이상의 구조물은 거의 영향을 받지 않을 것으로 예상되므로 보다 효율적인 해석을 위하여 아래 Fig. 3(b)와 같이 터널과 지하 6층에 위치한 승강장 및 지하 5층에 위치한 대합실에 대하여만 공기역학 모델을 설정하였으며, 정거장 환기구의 해 석영역은 아래 Fig. 3(c)와 같이 모델링하였다.

2.4 격자형성

본 연구에서는 고속철도 지하정거장에서 발생하는 압력파, 승강장 열차풍 등을 계산하기 위하여 STAR-CCM+에서 지원 하는 이동격자(Moving Mesh)기법을 이용하여 움직이는 열차 를 모사하고 그에 따라 터널구간, 승강장, 대합실 등을 포함

하여 Fig. 3(b)와 같이 지하정거장의 3차원 공기역학 모델링을 수행하였으며, 시나리오 당 최대 18,776,085개의 격자수로 해 석 공간을 분할하였다[12,13].

2.5 해석 시나리오

고속열차 운영조건, 가혹조건 등을 종합적으로 고려하여 3 가지 해석 시나리오를 아래 Table 1과 같이 작성하여 연구를 수행하였다.

시나리오 1은 지하승강장에 열차정차가 없고 PSD가 닫힌 상태에서 10량 편성의 단편성 열차가 상행선으로 통과하는

가장 일반적인 경우이다. 시나리오 2는 시나리오 1과 마찬가 지로 단편성 열차가 상행선으로 통과하는 경우인데, 차이점은

Scenario PSD High-speed

Train Condition High-speed Train Type 1 close Passing through

(left to right) General High-speed Train(10 vehicle) 2 open Passing through

(left to right) General High-speed Train(10 vehicle) 3 open Passing

by each other Coupled High-speed Train(20 vehicle) Table 1 Underground Station 3D Analysis Scenarios (a) Underground station and tunnel ventilation

(b) Underground station(vertical view)

(c) Ventilation vents above track(plane view) Fig. 3 Aerodynamic model of underground station

지하승강장에 열차정차가 있고 PSD가 열린 상태이다. 시나리 오 3은 승강장 대기승객이 이명감 및 열차풍을 느낄 수 있는 최악조건을 고려하여 지하승강장에 열차정차가 있고 PSD가 열린 상태에서 20량 편성의 중련편성 열차가 승강장 내에서 교행하며 통과하는 경우이다.

2.6 해석 결과 모니터링

전산유체역학은 제어체적(Control volume)내에 형성된 격자 에서의 모든 유동변수를 유체의 지배방정식으로 계산하기 때 문에 유동장에 대한 상세한 결과를 제공하는 장점이 있으나, 특히 비정상 해석의 경우에는 출력되는 데이터가 매우 많기 때문에 적절한 후처리를 통해 유동장에 대한 정보를 효율적 으로 파악하여야 한다. 본 연구에서는 비정상 계산에 앞서 계 산 영역 내 중요지점들을 설정하고 계산 중 나타나는 공기역 학적 물리량들을 모니터링 하였다.

열차 통과 시 닫힌 PSD에 미치는 압력 및 열린 PSD를 통 해 전달되는 압력파의 영향을 분석하기 위하여, 부본선 PSD 에 Fig. 4(a)와 같이 명칭을 부여하고 PSD 단면에서의 압력 및 유속을 모니터링 하였다. 대기승객의 이명감의 평가를 위 하여 Fig. 4(b)와 같이 승강장 및 대합실 호흡면 높이(1.8 m) 에서 압력변동을 측정 범위로 설정하였다.

3. 전산해석 결과

3.1 압력 및 유속 분포

아래 Fig. 5, Fig. 6 및 Fig. 7에는 각 시나리오에서 열차 전 두부가 정거장 진입 시, 중심통과 시, 진출 시의 선로부와 승 강장 내부의 압력분포 및 유속분포를 나타났다.

먼저, 시나리오 1의 압력 분포가 나타나 있는 Fig. 5(a)를 살펴보면, 전두부가 정거장에 진입한 직후에는 열차 전두부 주위를 제외한 전 영역의 압력이 일정하게 유지되고 있으나, 전두부가 정거장 중심점을 통과하는 시점에서는 전두부 앞에 상당한 고압의 영역이 형성되어 있는 것이 관찰된다. 이는 격 벽 구간을 통과하면서 열차 주위 단면적이 크게 줄어들어 마 치 열차가 터널에 진입하는 것과 유사하게 압축파가 발생하 기 때문에 나타난 것으로 볼 수 있으며, 부본선 및 GTX 승강 장에서의 압력도 변하는 것으로 보아 압력파로 인한 압력변 동이 개방된 공간을 통해 정거장의 다른 선로에 전파되고 있 음을 알 수 있다. 다만, 격벽에 설치된 유지보수용 개방부를 기준으로 본선의 압력변동은 부본선에 거의 영향을 미치지 않는 것처럼 보이는데, 이는 격벽 사이를 전파하는 압력파가 개방부를 만났을 때 개방부의 면적이 격벽 사이 터널 면적에 비해 상대적으로 매우 작기 때문에 압력파가 열차 진행 방향 (a) PSD monitor points location

(b) Waiting rooms(5 floors underground) monitor area Fig. 4 Monitor location review

(a) Pressure contour

(when train is entering, passing, and exitting the station)

(b) Velocity contour

(when train is entering, passing, and exitting the station) Fig. 5 Pressure and velocity contour(Scenario 1)

으로만 전파하기 때문이다. 이는 마치 터널 압력파가 수직구 를 통과하는 경우 터널 진행 방향의 압력파가 크게 영향을 받는 반면 수직구 방향으로는 압력파의 전파가 미미하기 때 문에 수직구 내의 압력은 크게 변하지 않는 원리와 유사하다 고 할 수 있다[19].

Fig. 5(b)에 나타난 시나리오 1에서의 속도장을 살펴보면, 먼저 정거장 진입 시 열차의 바로 전방에서 유속이 차츰 높 아지는 것을 볼 수 있다. 이후 정거장 중심점을 통과할 때 전 방의 속도는 크게 증가하며, 특히 격벽의 유지보수통로 개방 부에서 급격한 유동의 분출이 이루어지는 것을 알 수 있는데, 이는 열차가 밀어낸 공기가 전방으로 향하는 과정에서 격벽 내부의 압력파로 인한 높은 압력과 격벽 반대편의 상대적으 로 낮은 압력의 차이로 인하여 본선에서 부본선으로 향하는 매우 강한 유동이 발생하는 것을 보여준다. 반대로 열차 전두 부가 정거장을 진출하는 시점에서는 열차가 위치한 격벽 개 방부에서 격벽 안쪽의 압력이 크게 낮아지기 때문에 격벽 개 방부를 통하여 본선으로 유입되는 유동이 발생하는 것을 보 여준다. 또한 열차 후미부 이후에는 열차 진행 방향으로 고속 의 열차풍이 형성되어 길게 지속되는 것을 관찰할 수 있다.

Fig. 6(a)에 나타난 부본선 PSD가 개방된 시나리오 2의 정

(a) Pressure contour

(when train is entering, passing, and exitting the station)

(b) Velocity contour

(when train is entering, passing, and exitting the station) Fig. 6 Pressure and velocity contour(Scenario 2)

거장 압력 분포는 Fig. 5(a)에 나타난 시나리오 1의 압력분포 와 거의 유사하게 나타나며, 이를 통해 부본선 PSD의 개폐 여부가 주행선의 유동에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. Fig. 6(b)에 나타난 속도장의 경우에도 본선 및 부본선의 전반적인 속도장은 Fig. 5(b)에 나타난 시나리오 1의 속도장과 유사한데, 다만 개방된 PSD를 통해 열차풍이 플랫 폼으로 유입, 유출되는 모습을 확인할 수 있다.

KTX-산천 중련편성이 정거장에서 교행하는 시나리오 3의 경우의 압력장이 Fig. 7(a)에 나타나 있는데, 각 열차가 유발하 는 압력장이 중첩되어 격벽 내부의 압력이 매우 크게 유지됨을 알 수 있다. 또한, Fig. 7(b)에 나타난 속도장의 경우에도 단독 주행에 비해 유속의 변화가 더 크며, 이로 인해 PSD를 통과하 는 열차풍의 크기가 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.

3.2 PSD 공력 하중

앞서 살펴보았듯이 고속열차가 지하 정거장을 통과할 경우 지하정거장 내의 압력은 큰 변동을 겪게 되며, 이는 곧 PSD 나 환기구 댐퍼 등 각종 시설물에 하중으로 작용하게 된다. 열차 통과 시 승강장내 각 PSD에서의 시간에 따른 압력변동 및 최대 압력을 Fig. 8(a),(b)에 각각 나타내었다.

(a) Pressure contour

(when train is entering, passing, and crossing)

(b) Velocity contour

(when train is entering, passing, and crossing) Fig. 7 Pressure and velocity contour(Scenario 3)

본 연구에서는 열차가 정지 상태에서 10초 동안 가속하여 주행속도에 도달 후 정거장으로 진입하는 것으로 초기조건을 부여하였는데, 열차가 가속을 시작하면서부터 수치적 압력파 가 형성되어 음속으로 전파되기 때문에 수치적 압력파는 출 발지점에서 정거장까지 수치적 압력파가 도달하는 시간만큼 이 지연되어 약 5초에서 15초 사이에 정거장을 통과하게 되 며, 크기가 각각 대략 100 Pa과 50 Pa인 두 개의 펄스파의 형태로 나타난다. 측정 지점에서의 최대 압력변동이 대략

±400 Pa 내외인 점을 고려하면 이러한 수치적 압력파의 크기 는 작지 않은 상황이지만, 압력파의 대부분이 정거장을 통과 하고 나머지 부본선으로 전파된 압력파는 정거장의 복잡한 구조에서 반사를 거듭하며 소산되어 실제 열차가 진입한 이 후에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 이러한 예상 은 앞서 Fig. 5(a)에서 살펴본 열차 진입 직후 압력장이 대부 분의 영역에서 큰 변동이 없는 것으로 뒷받침될 수 있다.

Fig. 8(a)에서 Scenario 1에서의 시간에 따른 각 PSD에 가해 지는 압력을 살펴보면, 앞서 말한 수치적 압력파가 지나가고 난 뒤 실제 열차가 열사를 통과하는 15초 이후에는 압력 변 동이 매우 급격히 이루어지는 것을 알 수 있다. 최대 압력변 동이 나타난 Fig. 8(b)를 살펴보면, T01 PSD가 가장 작은 최 대압력 변동을 나타내고 이후로 갈수록 다소 커지는 경향을

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

Pressure (Pa)

Time (Sec) PSD T01

PSD T08 PSD T16

passing through tunnel

(a) Time variation of Pressure on PSD

T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Pressure (Pa)

PSD Position

(b) Maximum Pressure on PSD Fig. 8 Pressure variations on PSD(Scenario 1)

보임을 알 수 있다. 열차가 우에서 좌로 진행하고, T01이 제 일 좌측에 있는 점을 감안할 때, 대체로 열차가 먼저 통과하 는 PSD가 가장 큰 압력변동을 겪게 되고 제일 나중에 통과하 는 PSD에서 가장 작은 압력변동을 겪게 되는 것으로 나타났 다. 결과에서 T13 PSD의 하중만 특별히 크게 나타난 이유는 본선과 부본선을 잇는 유지보수통로가 특히 T13과 가까이 대 면하고 있기 때문에 유지보수통로를 통해 전파된 압력 및 유 동이 PSD에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다.

3.3 승강장 대기 승객 이명감 해석결과

지하정거장의 부본선에 정차된 열차에 대기 승객들이 열차 에 탑승하기 위해 승강장의 PSD가 열려 있는 상황에서 고속 열차가 본선을 통과하는 경우, 본선에서의 급격한 압력변동이 승강장에도 영향을 미치어 대기 승객들은 이명 현상으로 인 한 불쾌감을 겪을 수 있다. 미 철도국(Federal Railroad administration, FRA)이 고속철도 통과 시 승강장에서의 승객 및 종사원의 안전과 관련한 기준들을 조사하여 1999년 발표

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -400

-300 -200 -100 0 100 200 300 400

Pressure (Pa)

Time (Sec) PSD T01

PSD T08 PSD T16

passing through tunnel

(a) Scenario 2(Time) : Pressure on PSD location

T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 0

50 100 150 200 250 300

Pressure (Pa)

PSD Position

(b) Scenario 2(Position) : Pressure on PSD location

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

Platform Waiting Room

Time (Sec)

Pressure (Pa)

passing through tunnel

(c) Scenario 2 : Pressure on platform and waiting room Fig. 9 Pressure variation on PSD location and waiting room

(Scenario 2)

한 자료[15]에 따르면, 열차 통과시의 압력변동으로 인한 고 막의 영향과 열차풍이 승객에 미치는 힘을 고려하여 전두부 통과 시 최대 압력변동 0.2 psi(1,378.95 Pa) 이하의 안전 기준 을 제시하고 있다. 한편, 홍콩 지하철[1]의 경우에는 승객의 쾌적성을 고려하여 승강장 내에서의 압력변동을 최대 690 Pa 이하로 제한하는 것을 기준으로 삼고 있으며, 이는 승객의 상

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

Pressure (Pa)

Time (Sec) PSD T01

PSD T08 PSD T16

passing through tunnel

(a) Scenario 3(Time) : Pressure on PSD location

T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 0

50 100 150 200 250 300 350 400

Pressure (Pa)

PSD Position

(b) Scenario 3(Position) : Pressure on PSD location

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

Platform Waiting Room

Time (Sec)

Pressure (Pa)

passing through tunnel

(c) Scenario 3 : Pressure on platform and waiting room Fig. 10 Pressure variation on PSD location and waiting room

(Scenario 3)

해를 고려한 FRA 규정보다 더 엄격하게 제시된 것을 알 수 있다.

본 연구에서는 단독주행 및 교행 시 승강장의 각 PSD 위 치, 승강장 내부 및 대합실에서의 압력을 각각 Fig. 9과 Fig.

10에 나타났다.

Fig. 9(a)에 나타난 PSD 위치에서의 시간에 따른 압력변동

은 앞서 제시한 PSD가 닫힌 경우 PSD에 가해지는 압력변동 과 유사한 패턴의 압력 변동을 보여주고 있으나 그 크기가 다소 줄어든 것을 알 수 있으며, 이는 PSD가 열린 상태이기 때문에 PSD를 통한 기류가 형성되어 압력 변동이 완화되기 때문인 것으로 보인다. Fig. 10(a)에 나타난 교행 시의 PSD 위 치에서의 압력변동도 단독주행 시와 유사한 패턴을 나타내고 있는데, 다만 압력 변동의 폭이 훨씬 더 크게 나타난다.

단독주행 시 PSD 위치 별 최대 압력변동을 나타낸 Fig.

9(b)에는 열차가 제일 먼저 지나가는 T16이 제일 크게 나타났 지만, 열차가 마지막으로 지나가는 T01 ~ T04도 이와 유사한 크기의 압력변동을 나타내는 것으로 나타나 PSD가 닫힌 조건 에서의 PSD 위치 별 최대 압력변동(Fig. 8(b))과 다소 상이한 경향을 나타냈다. 이는 PSD가 열린 조건에서는 승강장의 압 력도 함께 변하기 때문에 이로 인하여 PSD 위치에서의 압력 변동도 영향을 받기 때문인 것으로 보인다. 교행 시 PSD 위 치 별 최대 압력변동이 나타난 Fig. 10(b)에서도 양쪽 끝에서 의 압력변동이 다소 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9(c)와 Fig. 10(c)에 나타난 승강장 및 대합실의 압력 변동을 살펴보면, PSD 위치와는 달리 압력 변동의 크기가 줄 어들었음을 알 수 있으며, 대합실의 압력변동이 승강장에 비 해 더 완화되었음을 알 수 있다.

Table 3에서는 각 시나리오 및 위치에서의 압력변동 최대 값을 나타냈으며, 모든 시나리오에서 PSD, 승강장 및 대합실 순으로 압력변동의 크기가 작아지는 것을 볼 수 있다. 이는 본선을 고속으로 통과하는 열차에 의해 유발된 교란이 개방 된 PSD를 통해 승강장 및 대합실로 순차적으로 전파되기 때 문에 나타나는 결과라고 볼 수 있다. 교행의 경우인 시나리오 3은 단독주행의 경우인 시나리오 2에 비하여 승강장 및 대합 실의 압력변동이 2배 ~ 3배 증가하고 있다. 하지만 PSD의 경 우에는 시나리오 2의 경우 249.6 Pa이 나타난 반면 시나리오 3은 358.2 Pa로 나타나 상대적으로 그 차이가 작은 것을 알 수 있으며, 이는 PSD 들이 선로 방향으로 길게 배치되어 있 어 개별 차량의 압력 변동이 중첩되기 쉽지 않기 때문인 것 으로 추정된다.

결론적으로, 승객이 거주하는 PSD 부근, 승강장 및 대합실 에서의 최대 압력변동은 교행 시 358.2 Pa, 단독주행시 249.6 Pa로서 미 FRA 규정인 1,378.95 Pa은 물론 홍콩 지하철 기준 인 690 Pa 보다도 더 작은 것으로 나타나 지하정거장에서의

Location Scenario 2(A)Max. pressure variationScenario 3(B) B/A PSD 249.6 Pa 358.2 Pa 1.44 Platform 71.4 Pa 211.6 Pa 2.96 Waiting room 63.0 Pa 122.5 Pa 1.94 Table 3 Maximum pressures at platform and waiting room

압력 변동은 의한 승객의 안전뿐만 아니라 쾌적성에도 큰 지 장은 주지 않을 것으로 예상된다.

4. 결 론

고속열차가 지하 정거장을 통과할 때 나타나는 공기역학적 영향을 살펴보기 위하여 KTX-산천 고속열차가 수도권고속철 도 동탄정거장을 통과하는 경우의 터널 및 정거장 내 유동장 을 비정상 3차원 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 전산유체역 학 시뮬레이션을 수행하였으며, 해석 결과 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.

(1) 본 연구에서 제시된 해석 기법은 고속열차가 지하 정거장 을 통과할 때, 열차 주위 공기압력의 변동으로 인한 피스 톤효과 및 본선 내 격벽구조로 인한 압축파와 팽창파의 발생을 정성적으로 잘 모사하는 것으로 나타났으며, 이를 통하여 터널 내 구조물 및 승강장에서의 압력변동에 대한 평가 도구로서 활용 가능할 것으로 판단된다.

(2) 고속열차 통과 시 정거장 PSD에 미치는 압력의 분석 결 과 대체로 열차가 먼저 통과하는 PSD가 가장 큰 압력변 동을 겪게 되고 제일 나중에 통과하는 PSD에서 가장 작 은 압력변동을 겪게 되는 것으로 나타났다. PSD에 작용하 는 최대 압력은 단독주행 시 427.6 Pa로서 교행 시에 최 대 2배가 될 수 있음을 감안하더라도 설계 당시 PSD 설 치 기준인 2,649 Pa을 만족하는 것으로 나타났다.

(3) PSD가 열려 있는 경우, 고속열차 통과 시 승강장 및 대합 실에서 압력변동이 발생하는 것을 확인하였으며, 특히 승 강장의 PSD 인근에서는 교행 시 358.2 Pa, 단독주행시 249.6 Pa의 압력변동을 나타내었는데, 이는 외국의 기준들 과 비교하여 압력변동으로 인한 승객의 안전이나 쾌적성 에는 큰 문제가 없을 것으로 예상된다.

References

[1] 2008, Wu, K.H., "Aerodynamic Aspects of High-speed Railway Underground Station with Adjoining Tunnels," PhD

Thesis, The Hong Kong University of Science and

[2] 2014, Nicholson, D.P., Chen, Q., de Silva, M., Winter, A.

and Winterling, R., "The design of thermal tunnelenergy segments for Crossrail, UK, Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Engineering Sustainability," ISSN

1478-4629

[3] 2001, Cho, D., Hur, N. and Kim, S.R. "A Numerical Study on Effect of a Partition Wall Height on Wind Pressure Load when KTX passes through a Station," Journal of

Computational Fluids Engineering 6(1), 2001.3, pp.56-62.

[4] 2007, Lee, M., Won, C.-S. and Hur, N., "Wind pressure transients on platforms scrren door of island platforms in a subway station caused by a passing train," Journal of

Computational Fluids Engineering, 12(3), 2007.9, pp.1-7.

[5] 2004, Hur, N., Kim, S.-R., Kim, W. and Lee, S., "Wind Pressure Transients in the Tunnel inside a Station Caused by a Passing High Speed Train," Journal of Mechanical

Science and Technology, 18(9), 2004.9, pp.1614-1622.

[6] 2001, Kwon, H.B., "A Study on the Unsteady Compressible Flow Field Induced by a High-speed Train Passing through a Tunnel," Ph.D Dissertation, Seoul National University.

[7] 2009, Kwon, H.B., Nam, S.W. and Kwak, J.H., "Assessment of the Pressure Transient Inside the Passenger Cabin of High-speed Train Using Computational Fluid Dynamics,"

Journal of the Korean Society for Railway, 12(1), 2009.2,

[8] 2015, Kwon, H.B., "A study on the minimum cross-sectional area of high-speed rail way tunnel satisfying passenger ear discomfort criteria," Journal of Computational Fluids

Engineering, 20(3), 2015.9, pp.62-69.

[9] 2004, Jeong, H.-K., Ha, M.-Y., Kim, K.-C., Jeon, C.-H. et al., "Simulation of Fluid Flow Inside the Subway Station with PSD," The Korean Society of Mechanical Engineers, 2004.11, pp.1430-1435.

[10] 2001, Kim, J.-Y., Shin, H.-J. and Cho, C.-S., "Three - Dimensional Analysis on the Train Wind around Subway Station," The Society Of Air-Conditioning And Refrigerating

Engineers Of Korea, 2001.7, pp.791-795.

[11] 2006, Lee, J.-Y., Shin, K.-B., Ryu, B.-J., Kim, D.-H. and Lee, E.-K., "Evaluation of the Structural Stability of

Platform Screen Door (PSD) due to Train Wind Pressure,"

Journal of the Korean Society for Railway, 9(5), 2006.10,

[12] 2000, Shin, C.H. and Park, W.G., "Numerical study of Three-Dimensional Viscous Flow and Compression Wave Induced by the High Speed Train Entering into a Tunnel,"

Journal of Computational Fluids Engineering, 5(3), 2000.12,

[13] 2001, Cho, D., Hur, N. and Kim, S.R., "A Numerical Study on Effect of a Partition Wall Height on Wind Pressure Load when KTX passes through a Station," Journal of

Computational Fluids Engineering, 6(1), 2001.3, pp.56-62.

[14] KRT-EG000-PSD001, Achieved at http://www.law.go.kr/LSW/

admRulInfoP.do?admRulSeq=2000000019974#AJAX

[15] 1999, Harvey Lee, S.-H., "Assessment of Potential Aerodynamic Effects on Personnel and Equipment in Proximity to High-speed Train Operations," DOT/FRA/

ORD-99/11.

[16] 2010, Kwon, H.B., Kang, B.B., Kim, B.Y., Lee, D.H. and Jung, H.J., "Parametric Study on the Aerodynamic Drag of Ultra High-speed Train in Evacuated Tube - Part 1,"

Journal of the Korean Society for Railway, 13(1), pp.44-50.

[17] 2010, Kwon, H.B., Nam, S.W., Kim, D.H., Jang, Y.J. and Kang, B.B., "Parametric Study on the Aerodynamic Drag of Ultra High-speed Train in Evacuated Tube - Part 2,"

Journal of the Korean Society for Railway, 13(1), pp.51-57.

[18] 2015, Jin, Y.M., Kwon, H.B., Hong, S.W. and Rho, J.H.,

"A study of the viscous effect to the compression wave when a high-speed train passing through the tunnel," Korean

Society for Railway, 2015.5, pp.652-657.

[19] 2013, Kim, H., Seo, S., Ha, H. and Kwon, H., "A numerical study on the pressure relief by a vertical shaft in a high speed railway tunnel," J of Korean Tunn Undergr Sp

Assoc, 15(6), pp.559-570.