고속열차 대차부 페어링 형상 변화에 따른 공기저항 저감 특성 연구 = A Study on the Aerodynamic Drag Reduction Induced by Bogie-Fairing Shape Variations in High-Speed Trains

국문 초록 (Abstract)

제목 : 본 연구에서는 3차원 정상상태 RANS(Reynolds-Averaged Navier- Stokes) 기법을 적용하여 400 km/h급 고속열차의 대차부 페어링 형상 변화에 따른 공기저항 저감 특성을 분석하였다. HSEMU-370 모델을 기본 형상으로 선정하였으며, 설계 기준 검토를 통해 대차부의 측면, 전방, 하부, 후방 페어링을 설계하였다. 단일 페어링 적용 결과, 측면 페어링은 대차 내부 유입 유동과 재순환 영역을 완화하여 전체 공기저항계수를 0.7320에서 0.6762로 약 7.62% 저감하였다. 전방 페어링은 대차부 유입 유동을 정돈하여 공기저항계수를 5.66% 감소시켰으나, 차량 위치에 따른 하부유속 증가와 대차 간 간섭이 수반되었다. 반면, 후방 페어링은 공기저항계수가 0.7544 증가하여 단독 적용 시 공기저항 저감 측면에서 불리함을 확인하였다. 페어링 다중조합의 경우, 성능이 가장 우수한 측면 페어링을 기본으로 전방 및 하부 페어링을 추가 결합하여 분석하였다. 전방 페어링은 대차부 압력저항 저감에 기여하였고, 하부 페어링은 대차부 유입 유동을 억제하여 하부유동의 연속성을 유지시켰다. 세 종류의 페어링을 모두 적용한 최종 조합에서 전체 공기저항계수는 0.5999 로, 기본 형상 대비 18.01%의 최대 저감율을 달성하였다. 이는 향후 고속열차의 공기역학적 설계 시, 에너지 효율 향상과 정비 편의성을 동시에 고려한 최적의 페어링 적용 전략 수립을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다. 핵심 용어 : 대차부 페어링 설계, 전산유체해석, 공기저항, 하부유동

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구목적 및 내용 3
• II. 전산유체해석 방법 4
• 2.1. 지배방정식 및 수치기법 4
• 2.2. 열차 및 대차 페어링 모델 9
• 2.3. 해석 케이스 선정 13
• 2.4. 수치해석 영역 및 경계조건 15
• 2.5. 해석 격자계 17
• Ⅲ. 단일 페어링 공기저항 저감 분석 결과 19
• 3.1. 대차부 공기저항 및 차량 대비 공기저항 비중 19
• 3.2. 대차 내부 유동장 및 압력장 분석 23
• 3.3. 전체 공기저항계수 비교 27
• Ⅳ. 다중조합 페어링 공기저항 저감 분석 결과 31
• 4.1. 대차부 공기저항 및 차량 대비 공기저항 비중 31
• 4.2. 대차 내부 유동장 및 압력장 분석 35
• 4.3. 전체 공기저항계수 비교 38
• Ⅴ. 결 론 41