Aerodynamic Characteristics of a Tube Train

튜브 트레인 공력특성 해석

Recently, full-scale research about a passenger tube train system is being progressed as a next-generation transportation system in Korea in light of global green technology. The Korea Railroad Research Institute (KRRI) has commenced official research on the construction of a tube train system. In this paper, we studied various parameters of the tube train system such as the internal tube pressure, blockage ratio, and operating speed through computational analysis with a symmetric and elongated vehicle. This study was about the aerodynamic characteristics of a tube train that operated under standard atmospheric pressure (open field system, viz., ground) and in various internal tube environments (varying internal tube pressure, blockage ratio, and operating speed) with the same shape and operating speed. Under these conditions, the internal tube pressure was calculated when the energy efficiency had the same value as that of the open field train depending on various combinations of the operating speed and blockage ratio (the P-D relation). In addition, the dependence of the relation between the internal tube pressure and the blockage ratio (the P-${\beta}$ relation) was shown. Besides, the dependence of the relation between the total drag and the operating speed depending on various combinations of the blockage ratio and internal tube pressure (the D-V relation) was shown. Also, we compared the total (aerodynamic) drag of a train in the open field with the total drag of a train inside a tube. Then, we calculated the limit speed of the tube train, i.e., the maximum speed, for various internal tube pressures (the V-P relation) and the critical speed that leads to shock waves under various blockage ratios, which is related to the efficiency of the tube train (the critical V-${\beta}$ relation). Those results provide guidelines for the initial design and construction of a tube train system.

최근 한국에서는 세계적인 녹색기술을 맞아 향후 차세대 교통 시스템으로서 튜브 트레인 시스템의 본격적인 연구가 진행되고 있다. 한국 철도기술연구원(KRRI, Korea Railroad Research Institute)에서 튜브 트레인 시스템의 건설을 위한 목적으로 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 기초연구의 일환으로 축대칭하며 긴 형상의 수송체가 가지는 다양한 튜브(터널) 내부의 압력, 막힘비율, 운행속도를 파라미터로 선정하여 전산해석을 수행하였다. 세부사항으로는 동일 형상의 운송체가 동일 운행속도를 가지고 일반적 압력의 개활지(오픈 시스템, 개활지 운행)를 운행할 때와, 다양한 환경(튜브 내 압력, 막힘비율, 운행속도)의 튜브 내부를 운행할 때에 대하여 튜브 트레인의 공력특성 연구를 수행하였다. 이를 통하여 다양한 운행속도-막힘비율 별로 개활지와 동일 에너지 효율 나오는 튜브 내 압력(P-D 관계)을 계산하였고, 막힘비율 증가에 따른 튜브 내 감압 정도(P-${\beta}$ 관계), 다양한 막힘비율-튜브 내 압력 별로 운행속도에 따른 전체 항력 양상(D-V 관계)을 보여 주었다. 그리고 개활지 운행시와 튜브 내부 운행시의 에너지 효율(주행저항)을 비교하였고, 튜브 내부 운행 시 트레인이 갖는 효율과 관계되는 충격파 발생의 임계속도(critical V-B 관계) 및 한계속도(V-P 관계)를 얻을 수 있었다. 이러한 연구의 결과는 튜브 시스템 설계 및 건설에 꼭 필요한 것이며 가이드라인을 제시했다.