2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A252

KTX산천 공기저항 저감 방안 연구

Research for Aerodynamic drag reduction method of KTX San-chon

윤수환*†, 곽민호*, 남성원**, 박춘수*,

Su-Hwan Yun*†, Min-Ho Kwak*, Seong-Won Nam* *, Choon-Su Park*

Abstract This paper describes aerodynamic drag methods for KTX-SanChon. Aerodynamic drag of a set of KTX-SanChon is computed and analyzed. The aerodynamic drag ratio of Front-car and Rear-car is about 23% and 19%, the Middle-cars is about 46% and the bogies is about 10% respectively. Specially, additional aerodynamic drag appears on the Front-car and Rear-car by the dynamic pressure increase on the pantograph recess area and the extruded part of the second car. For the aerodynamic drag reduction of KTX-SanChon, aerodynamic optimization on the nose shape, the extrude part reduction and the side bogie cover were applied and the effect of aerodynamic drag reduction was obtained by the computational fluid dynamics. Keywords : Aerodynamic Drag Reduction, CFD, Aerodynamic Optimization, KTX-SanChon 초 록 본 논문에서는 현 KTX산천에 대한 다양한 공기저항 저감방안을 검토하였다. 먼저, KTX산천의 구성요소를 선두차, 후미차, 중간객차, 대차 그리고 팬터그래프로 구분하여 각 요소별 공기저항을 분석하였다. 선두차와 후미차에서는 전체 공기저항 대비 약 23%, 19%의 공기저항이 발생하며, 중간객차(8량)에서는 약 46% 그리고 대차에서는 약 10%의 공기저항이 나타난다. 특히, 선두차와 후미차에서는 팬터그래프 리세스 및 측면 단차부의 표면압력 증가로 부가적인 공기저항이 발생한다. 이러한 공기저항 저감을 위해 전두부/후미부 공력설계 및 동력차 차고변화 그리고 대차측면커버 등을 적용하고, 각 방안의 공기저항 저감효과를 전산해석을 이용하여 도출하였다.

주요어 : 공기저항저감, 전산유체역학, 공력최적설계, KTX산천

1. 서 론

고속철도시스템을 도입하여 운영하고 있는 많은 국가에서는 고속열차의 운영속도가 대부

분 최고 300km/h 였다. 하지만, 최근 일본과 프랑스에서는 고속열차 운영속도를 320km/h로

향상시켰고, 중국에서는 350km/h로 향상시키면서 국가간 운영속도 경쟁이 시작되었다. 한편,

우리나라에서는 최고 300km/h 로 KTX가 운영되고 있다. 하지만, 서울-부산간 많은 정차역이

생기면서 실제 평균속도는 약 180.2km/h로 운영효율이 매우 낮은 상태이다. 따라서, 우리나

라의 고속철도 운영효율을 향상시키기 위해 고속열차의 운영속도를 350km/h로 향상시킬 필

요성이 제기되었다.

† 교신저자: 한국철도기술연구원 고속철도연구본부(shyun@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원 고속철도연구본부

** 한국철도기술연구원 철도안전인증센터

본 논문에서는 KTX산천의 운영속도를 효율적으로 향상시키기 위한 방법 중 하나로 KTX산

천의 공기저항을 저감하는 방안에 대하여 논하였다.

2. KTX산천 공기저항 저감방안

2.1 KTX산천 공기저항 해석 및 분포

2.1.1 차량구성요소 및 해석조건

KTX산천의 공기저항을 분석하기 위하여 현재 운행중인 10량 1편성의 KTX산천을 대상으로

전산해석을 수행하였다. 그리고 편성차량의 구성요소를 Fig.1과 같이 선두차, 후미차, 중간

객차(8량), 대차(13기), 판토그래프(2기)로 구분하였다. 그리고 3차원 압축성 Navier-

Stokes’방정식과 w-k 난류모델을 적용하여, 350km/h 개활지 주행상황에 대한 전산해석을

수행하였다.

2.1.2 차량 구성요소별 공기저항 분석

차량 구성요소의 공기저항계수 및 비율 그리고 압력/점성저항 비를 Table 1에 제시하였다.

전산해석결과 편성차량의 공기저항 계수는 0.96로 계산되었다. 이중 선두차와 후미차에서

전체 공기저항의 23%와 19%가 나타났으며, 중간객차(8량)에서는 46%의 공기저항이 작용하였

다. 따라서, 약 87%의 공기저항이 차체에서 발생하며, 나머지 10%는 대차에서 발생하는 것

으로 나타났다. 그리고 압력/점성저항 비를 통해 공기저항 저감방법의 방향성을 유추할 수

있데, 그 값이 높은 팬터그래프와 대차에서는 압력저항 저감을 위해서, 그리고 값이 낮은

중간객차에서는 점성저항 저감을 위한 방법으로 접근해야 한다.

Table 1 Aerodynamic drag coefficient of each component

Component parts CD CD Ratio(%) CDp/CDf

Front car 0.23 23 6

Rear car 0.19 20 7

Middle cars 0.45 47 1

Bogies 0.10 10 37

Total 0.96 100 3

선두차 후미차중간객차

대차

판토그래프

Fig. 1 Components of KTX-SanChon for aerodynamic drag analysis

2.2 차량요소별 공기저항 저감방안 및 효과

2.2.1 전두부 최적설계

선두차/후미차의 공기저항 저감방안으로 전두부 공력최적설계를 적용하였다. Fig. 2는 KTX산

천 전두부에서 최적설계변수를 정의하고 각 변수의 변화에 따른 전두부형상 변화를 도시한 것

이다. 전두부 최적설계변수는 전두부 길이, 끝단 높이, 상면 곡률, 하면 곡율, 옆면 곡율로

정의하였으며, 각 변수의 변화에 따라 전두부의 3차원 형상은 Fig. 2와 같이 변화한다.

각 설계변수의 민감도 분석 및 전두부 최적설계결과를 Fig. 3에 도시하였다. 민감도 분석결

과 전두부 길이가 공기저항에 미치는 영향이 가장 크며, 다음으로 옆면 곡률이 큰 영향을 미

친다. 최적설계된 전두부 형상은 현 KTX산천 형상에 비해 약 3.9%의 공기저항 저감효과가 나

타난다.

Fig. 2 Design variables and nose shape variation for the optimization

Fig. 3 Sensitivity analysis and nose shape optimization result

2.2.2 선두차/후미차 차고변화

KTX산천의 동력차와 객차는 그 높이가 서로 상이하다. 더욱이, 동력차 상부에 팬터그래프

리세스가 존재하기 때문에 해당영역을 통과한 고속유동에 Fig. 4와 박리/정체영역을 유발하면

서 공기저항이 증가한다.

따라서, 상부차고를 Fig. 5와 같이 조정하여, 공기저항 저감효과를 검토하였다. 그 결과 현

KTX산천 형상에 비해 약 7% 저감된 0.89의 공기저항계수가 나타난다.

2.2.3 대차측면커버 적용 및 효과

압력저항이 크게 나타나는 대차의 공기저항을 줄이기 위해서 Fig. 6과 같이 대차측면커버를

적용하였다. 대차측면커버는 차량외부에서 대차로 유입되는 고속공기를 차체 측면과 평행한 방

향으로 유도함으로써 공기저항을 저감할 수 있다[].

측면대차커버를 적용한 형상에서는 공기저항이 약 8% 저감된 0.88의 공기저항계수가 나타났

다.

3. 결 론 및 향후 계획

운영속도 350km/h를 목표로 하는 KTX산천의 고속주행 공력효율 향상을 위하여 전두부 최적

동력차 객차

상부 차고 조정선

Fig. 5 Height difference reduction between power car and 1st trail car

Fig. 4 Stream line around the upper part of power car and 1st trail car

Fig. 6 Side bogie cover installation

설계, 선두차/후미차 차고변화 그리고 측면대차커버에 대한 공기저항 저감효과를 분석하였다.

각 방안에 대한 공기저항 저감효과는 전두부 최적설계 3.9%, 선두차 차고변화 7% 그리고 측면

대차커버 8%로 나타났다. 추후, 모든 저감방안이 조합된 형상에 대한 공기저항 저감효과 검토

가 수행될 계획이며, 현 시점에서는 최고 16%의 공기저항 저감 가능성이 있을 것으로 예상하

고 있다.

후 기

본 논문은 국토교통부 철도기술연구사업 ‘고속열차 성능 및 효율 향상 핵심기술 개발’의

지원으로 수행되었습니다.

참고문헌

[1] Giampaolo Mancini, Antonio Malfatti, Angelo G. Violi, et al.(2001) Effects of experimental bogie

fairings on the aerodynamic drag of the ETR 500 high speed train, WCRR 2001

[2] Minho Kwak, Suhwan Yun, Yeongbin Lee, et al.(2013) Optimum nose shape of a front-rear symmetric

train for the reduction of the total aerodynamic drag, Journal of Mechanical Science and Technology,

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[3] Sung Jun Byun, Stephane Cyr, Suk Won, et al(2014) Numerical Simulationof Aerodynamic Drag for

High-speed train Using LBM, Proceeding of the spring conference of Korean Society for Railway

[4] H.B Kwon and Y.N. Kim (2012) Assessment on the aerodynamic drag of High-speed train Using CFD,

Proceeding of the Korean Society for Computational Fluids Engineering.