한국전산유체공학회지제 12 권제 3 호. 27. 9 / 1 섬식승강장에서열차운행에의한지하철승강장스크린도어풍압해석 이명성, 1 원찬식, 2 허남건 *3 WIND PRESSURE TRANSIENTS ON PLATFORM SCREEN DOOR OF ISLAND PLATFORMS IN A SUBWAY STATION CAUSED BY A PASSING TRAIN Myungsung Lee, 1 Chan-Shik Won 2 and Nahmkeon Hur *3 In the present study, the wind pressure transients on platform screen door in island platform caused by a passing train are investigated numerically. The transient compressible 3-D full Navier-Stokes solution is obtained with actual operational condition of subway train and the moving mesh technique adopted for the train movement. To achieve more accurate results, detailed shape of train is included in a computational domain and the entrance and exit tunnel of platform are also modeled. Numerical analyses are conducted on three operational conditions of different velocity variation. Key Words : 풍압 (Wind Pressure), 승강장스크린도어 (PSD, Platform Screen Door), 섬식승강장 (Island Platforms), 터널 (Tunnel), 압축성유동 (Compressible Flow), 전산유체역학 (CFD), 이동격자 (Moving Mesh) 1. 서론 근래국내에도입되고있는승강장스크린도어 (PSD, Platform Screen Door) 는승강장에서대기하는승객에게불쾌감을주는열차풍을차단하여보다쾌적한역사환경을조성하고, 낙상및지하철화재와같은인명사고를예방하는등많은장점을가지고있다. 따라서보다안전한 PSD 사용을위해 PSD 설치에따른역사내풍압환경에대한평가가필요함은당연하며이에따라설계조건이안전기준에합당한지검토하여야한다. 역사내풍압환경을평가하기위해최근에는실험적연구와더불어전산유체역학 (CFD, Computational Fluid Dynamics) 을이용한컴퓨터시뮬레이션을통해역사내의복잡한유동현상을해석하고설계를개선하는사례들이많이보고되고있다. 국내에서 CFD가적용된연구로는경부고속철도의건설과관련하여고속열차가역사를통과하는경우승객의안전접수일 : 27 년 2월 28 일, 심사완료일 : 27 년 8월 23 일. 1 서강대학교기계공학과대학원 2 서강대학교기계공학과 3 종신회원, 서강대학교기계공학과 * Corresponding author, E-mail: nhur@sogang.ac.kr 과쾌적성을위한역사내부의풍압환경에관한연구 [1-3] 가수행되어안전한역사환경설계자료로활용되었다. 위연구에적용된수치해석방법은상용프로그램인 STAR-CD[4] 에서지원하는이동격자 (Moving Mesh) 기법을이용하여움직이는열차를모사하고그에따라발생하는풍압의변화를예측하는것으로천안 아산역사에서고속열차가 3 km/h로통과할때역사내에서실험장치를이용한실제측정결과와비교하여정성적 정량적으로유사한결과를얻었다 [5]. 한편지하철에서 PSD에작용하는풍압을 CFD를이용하여수치해석한경우로는정해권등 [6] 이사직역에서지하철운행에의하여 PSD에작용하는압력을수치해석하였고, 김정엽등 [7] 은단선터널구조의정거장에서열차풍이 PSD에미치는압력및기류분포를예측하였다. 또한이재열등 [8] 은동래역에서열차가승강장에진입한후 PSD에미치는풍압을유체유동해석프로그램으로분석하고도출된결과를구조해석프로그램에적용하여구조안정성평가를수행하였다. 하지만위의연구들은해석격자수와계산시간의문제로인하여역사의진입, 진출터널의전구간이아닌일부를모사하거나열차를터널중앙에서 PSD방향으로일정간격으로이동시키며반복계산을수행하는 2차원경향테스트를병행 [6] 하여 3차원해석결과를보정하였다. 본연구에서는보다
2 / 한국전산유체공학회지이명성 원찬식 허남건 신뢰성있는수치해석을위하여열차의자세한형상을모델링하는것뿐만아니라, 다른역사와연결되는전체터널구간을해석격자에포함하였다. 또한실제운행곡선에의거하여열차가역사에진입, 진출그리고최고운행속도로역사를통과하는경우로해석조건을구분하여열차풍에의해 PSD에작용되는풍압을여러가지조건에서수치해석하였다. 최종적으로수치해석결과를검토함으로써 PSD 및건축마감에미치는압력을구하고 PSD가설치된선례의풍압조건과비교하여설계의적정성및신뢰성을확보하고자한다. 2. 수치해석 2.1 해석대상본연구에서는지하철 2호선서울대입구역을 3차원모델링하였다. 위역사는상 하행열차노선사이중앙에승강장이위치하여상 하행열차를승차하기쉬운섬식승강장구조이다. Fig. 1과같은전체해석격자구성시역사뿐만아니라역사양끝의운행터널도고려되었다. 역사설계도면에의거하여승강장의길이는 21 m이고터널효과및유동을충분히발달시키기위한진입터널과출구터널의길이는각각 984 m, 15 m이다. 역사를운행하는열차의길이는 1량으로길이가 2 m이고, 압력변동에영향을미치는열차의단면적은에어컨형상의포함유 무에따라각각 12.5 m 2 와 11.6 m 2 로서그에따른열차단면적과터널단면적의비는 54.6% 와 5.7% 이다. 터널을지나가는열차의단면적의변화는 PSD에작용하는압력에영향을미치기때문에 Fig. 2와같이실제적인열차의형상을모사하여보다정확한해석결과를도출하였다. 또한총해석격자는 2,8,개로열차의운행을표현하기위한이동격자는 8,개이고나머지부분인유동장은 2,,개이다. 경계조건으로이전역과다음역을연결하는터널양끝단은수치해석의대상이되는이동열차이외에추가적인열차의운행이없는상태라고가정하여대기압력조건을적용하였고, 양끝단이아닌다른부분은벽조건이적용되었다. 2.2 해석방법열차의운행을모사하기위해이동격자 (Moving Mesh) 방법을사용하였다. 풍압해석을위한열차운행조건은총 3가지 velocity (m/s) 3 25 2 15 1 Fig. 1 Cross sectional mesh of computational domain Fig. 2 Detailed mesh for train and platform Case 1 Case 2 Case 3 Table 1 Cases of train movement Case Train movement 1 Train enters the platform as speed is decreased 2 Train leaves the platform as speed is increased 3 Train passes the platform with constant maximum speed 5 5 1 15 2 Fig. 3 Train operation curves
섬식승강장에서열차운행에의한지하철승강장스크린도어풍압해석제 12 권제 3 호. 27. 9 / 3 로서역사로열차가진입하는경우 (case 1), 역사로부터진출하는경우 (case 2) 그리고역사를최고운행속도로통과하는경우 (case 3) 이다. 위해석조건은 Table 1에정리하였고, 각각의해석조건에따른열차운행곡선은 Fig. 3과같다. 그림에서 984~1194 m 지점에역사가위치한다. 열차의움직임을모사하는기법및계산방법은 3가지경우모두동일하나각각의해석조건에따라서열차의운행속도및정차, 통과, 출발등이달라진다. 열차운행에의한풍압해석은 3차원압축성난류유동으로가정하여연구하였다. 일반적인수치해석연구에는시간및비용등의문제로비압축성유동으로가정하지만, 비압축성해석은열차가진입하는순간의압력변동은잘모사하는반면시간에따라압력이변하는유동현상에대한결과는부정확하므로본연구에서는보다실제적인현상을모사하기위해압축성유동으로해석을수행하였다. 개활지에서고속전철이 3 km/h 로운행하는경우에도마하수가.3보다작기때문에비압축성유동으로해석하지만터널이나역사와같이밀폐된공간에서열차가운행되는경우피스톤이나주사기와같은효과가발생하여압력의변화가매우커지므로압축성효과가고려되어야한다. 수치해석을위해서상용프로그램인 Star-CD v3.24를사용했으며, AMD Opteron 25 (2.2GHz) 4 CPU Linux Cluster를이용하여 Case별로계산시간은각각 47, 14, 27 시간이소요되었다. 3 2 1-1 -2 Fig. 4 Pressure measurement positions on PSD 1m 15 m 29 m 3. 결과및토의열차의운행조건에따라서 PSD에작용하는풍압변화를알기위해 3가지방법을사용하였다. 첫번째는 Fig. 4와같이 PSD의양쪽끝부분과가운데부분을측정위치 ( 총 3곳 ) 로지정하여시간에따른압력변화가승강장의위치에따라서어떤차이가있는지비교하였고, 두번째는 PSD에작용하는압력분포 (contours) 를열차의위치와함께시간에따라서연속적으로도시함으로써역사내부의압축파와팽창파로인해발생되는양압과부압의위치를파악하였다. 이때양압은열차측에서 PSD 방향으로밀어내는힘을의미하고, 부압은열차측에서 PSD를당기는방향의힘을나타낸다. 마지막으로세번째방법은 PSD 전체길이에대한압력변화를시간에따라나타내어압축파와팽창파의생성과소멸을표현하였다. -3 2 4 6 8 1 12 time (sec) Fig. 5 Pressure transients history at each measurement point on PSD (case 1) 3.1 열차가진입하는경우 Fig. 5와같이열차가역사로진입하면서 초에서 56초까지 PSD에압축파로인한양압이주기적으로발생한다. Fig. 7 (a) 는열차가역사로들어오기전까지 PSD에미치는압력분포로서시간에따라압력이상승한후하강하는것을볼수 Fig. 6 Pressure distributions on PSD (case 1)
4 / 한국전산유체공학회지이명성 원찬식 허남건 3 5 2 1-1 -2 2. sec 14.9 sec 36. sec 48.8 sec 55.7 sec -5-1 -15-2 1m 15 m 29 m -3 3 5 1 15 2 (a) Train approaching toward to station -25 5 1 15 2 25 time (sec) Fig.8 Pressure transients history at each measurement point on PSD (case 2) 2 1-1 -2 57.5 sec 58.1 sec 58.6 sec 6.4 sec 62.7 sec -3 5 1 15 2 Fig. 9 Pressure distributions on PSD (case 2) (b) Train front between the entrance and the 7 m from the entrance 있다. Fig. 6에서열차선두가역사로진입한직후인 57.6초에 압축파는 최대가 되어 최대 양압이 역사 입구 부분의 PSD 3 (1 m) 에작용하는것을알수있다. 역사입구부분에서상대 적으로거리가떨어져있는 PSD의가운데부분 (15 m) 은압 2 축파의영향이점차감소되어양압의최대값도줄어든것을 볼수있다. Fig. 5의각압력측정지점에서최대양압발생 1 후, 압력이갑자기감소하는현상은 Fig. 6의 59.7 sec의경우 와같이열차가진행함에따라열차선두의앞부분에서는양 압이 작용하고 열차 선두부의 뒷부분에는 부압이 작용하는 -1 것으로확인된다. Fig. 7 (b) 은열차가승강장에진입한직후 65.3 sec 부터열차의선두가승강장중앙부분까지위치할때의 PSD에 -2 71.2 sec 81.2 sec 작용하는 압력 분포이고 Fig. 7 (c) 은 열차선두부가 승강장 중앙부분에서승강장끝까지이동하여열차가완전히정지 -3 5 1 15 2 할때까지 PSD에작용하는압력분포이다. Fig. 7 (b)(c) 과같 이열차가진행함에따라양압과부압은열차선두부에서서 (c) Train front between the half and the exit 로교차하고, 양압과부압의교차점은점점승강장뒤쪽으로 Fig. 7 Pressure transients of the train getting stopped (case 1) 이동하는것을알수있다. 열차가역사에정지하면서열차의
섬식승강장에서열차운행에의한지하철승강장스크린도어풍압해석제 12 권제 3 호. 27. 9 / 5 속도는감소하여주기적으로변하는압력도점차안정되어 Fig. 5와같이 1초이후에는 Pa에가까운일정한압력값을보인다. 5 3.2 열차가진출하는경우열차의길이는 2 m이고승강장의길이는 21 m이므로정지한열차의선두부와출구터널입구는 5 m 떨어져있다. 일단열차가출발하면 Fig. 8의 1초이전까지는열차선두부와출구터널사이의공기가압축되어출구터널과가장가까운측정위치 (29 m) 에서양압이발생한다. 그리고열차가이동하면서열차윗면에위치하는에어컨박스유닛에의하여열차단면적이변하면서 PSD에작용하는압력이주기적으로진동하는현상이발생하는것을볼수있다. 한편 Fig. 8에서 13초일때측정위치 3곳중승강장가운데부분 (15 m) 의부압이가장큰것을볼수있다. 그리고 Fig. 9에서 13초일때열차의후미부는승강장가운데부분에위치하는것을예측할수있다. 위두가지사실로부터열차후미부근처의 PSD에는부압이가장크게작용하는것을알수있다. 또한 Fig. 9에서열차가점점속도를증가시키면서역사를빠져나갈때열차후미부와가까운 PSD에작용하는부압이점점증가하는것을확인할수있다. 위와같은현상은 Fig. 8, 1에서출구와가까운측정위치 (29 m) 일수록부압이증가하는것을통해확인할수있다. 한편 Fig. 9에서열차의후미부가지난뒷부분의 PSD에작용하는압력은다시증가하여부압이감소하는것을볼수있고, Fig. 1에서부압이감소되어압력이증가되기시작하는지점은시간에따라서승강장출구부분 (29 m) 으로이동하는것을볼수있다. 3.3 열차가최고운행속도로통과하는경우 Fig. 11에서알수있듯이최고운행속도로역사를통과하는 Case 3도 Case 1과마찬가지로열차가역사에진입하기전인 56초까지는역사내부의 PSD에압축파로인하여주기적인양압이발생하고열차가역사로진입한직후에압력은급격히상승한다. 열차가이동하면서전체 PSD 영역중열차선두부의앞부분에서최대양압이발생하고선두부가지난바로다음부분부터는압력이급격히감소하여부압이발생한다. 이러한현상은 Fig. 12의 58.5 초, 62.3 초일때압력분포로확인된다. Fig. 13은시간에따라 PSD 길이방향에작용하는압력분포를나타낸것으로 (a) 는열차가역사로진입한순간부터열차선두가역사길이방향 6 m 지점까지이동할때압력분포이고 (b) 는열차선두가역사중앙지점에서출구까지진행할때압력분포이고 (c) 는열차가역사에완전히진입한후에열차의후미가역사중간까지진행할때의압력분포이며 (d) 는열차의후미가역사중간에서역사를완전히 -5-1 -15-2 -25 1.18 sec 7.98 sec 15.44 sec 2.4 sec 23.14 sec 5 1 15 2 Fig. 1 Pressure transients of the train getting departed (case 2) 6 5 4 3 2 1-1 -2 1m 15 m 29 m -3 2 4 6 8 1 12 time (sec) Fig. 11 Pressure transients history at each measurement point on PSD (case 3) Fig. 12 Pressure distributions on PSD (case 3)
6 / 한국전산유체공학회지이명성 원찬식 허남건 6 5 4 3 6 5 4 3 6.8 sec 63.9 sec 66.2 sec 2 1-1 -2-3 -4-5 51.5 sec 56.1 sec 56.4 sec 57.2 sec 59.2 sec 2 1-1 -2-3 -4-5 -6 5 1 15 2 (a) Train front between the entrance and the 6 m from the entrance -6 5 1 15 2 (b) Train front between the 9 m from the entrance and the exit 6 6 5 4 66.9 sec 69.3 sec 72.3 sec 5 4 73.9 sec 75.4 sec 77.7 sec 3 3 2 1-1 -2 2 1-1 -2-3 -3-4 -4-5 -5-6 5 1 15 2 (c) Train rear between the entrance and the 12 m from the entrance -6 5 1 15 2 (d) Train rear between the 15 m from the entrance and the exit Fig. 13 Pressure transients of the train penetrating through the station (case 3) 빠져나올때까지의압력분포를나타낸다. Fig. 13 (a)(b) 에서열차선두의이동에따라양압과부압의교차되는것을확인할수있고양압과부압의교차점은열차의진행에따라서출구터널쪽으로이동된다. 하지만열차의속도가감소되는 Case 1과달리 Case 3는열차의속도가감소되지않으므로 Fig. 13 (a)(b) 에나타난 Case 3의최대양압과최대부압의차이가 Fig. 7 (b)(c) 의 Case 1보다더크다. 또한 Case 3의 PSD 영역길이방향의압력분포를시간에따라서나타낸결과인 Fig. 13은마치 Case 1과 Case 2를합친것같은형태를보인다. Case 1은압축파의생성과소멸을나타내고 Case 2는팽창파의생성과소멸이나타난다면 Case 3은압축파의생성과소멸이후에팽창파의생성과소멸이이어지는현상이나타난다. 이와같은현상은 Fig. 7, 1, 13을통해확인할수있다. 즉 Fig. 13 (a)(b) 은열차의역사진입으로인해생성된압 축파가점차소멸되는모습이보이고, Case 1인 Fig. 7 (b)(c) 에서도진폭의크기는다르지만같은현상이나타난다. 그리고 Fig. 13 (c)(d) 과같이열차가출구터널을통해빠져나가면서팽창파가발생하고, 후미부가지나는바로다음지점부터압력이상승하는현상은 Fig. 1과유사하다. 한편 Fig. 13 (a)(b) 과같이압축파가소멸되면서시간에따라양압의최대값은뚜렷이감소하지만부압의최대값은 -2 Pa 내외로변화량이적은것을확인할수있다. 또한열차가빠져나가면서발생하는부압의최대값도 Fig. 13 (c) 과같이 3곳의측정위치모두에서거의같은값인 -2 Pa을보이고있다. 이러한현상은열차의속도가감소하는 Case 1의경우부압은 Fig. 7 (b)(c) 와같이점차감소하고, 열차의속도가증가하는 Case 2 의경우 Fig. 1과같이부압이증가하는현상과비교된다. 위와같이 PSD에작용하는부압은열차의운행속도와관계있
섬식승강장에서열차운행에의한지하철승강장스크린도어풍압해석제 12 권제 3 호. 27. 9 / 7 Table 2 Maximum pressure for each cases of train movement Case Operating condition Pressure (kpa) 1 Train enters the platform -.16 ~ +.28 2 Train leaves the platform -.2 ~ +.4 3 Train passes the platform -.24 ~ +.52 Table 3 Foreign standards on the PSD[9] Title Pressure (kpa) Velocity (km/h) Company Hong Kong MTRC TKE Line +1.5 -.9 8 Nabco Hong Kong KCRC WR Line ±2.7 12 Nabco Taiwan Xinzhuang Line ±1.73 8 Nabco Taiwan Lucho Line ±1.2 8 Nabco BangKok Blue Line ±.75 8 Faiveley Shanghai line No. 4 ±.9 9 Faiveley LAR MTRC Hong Kong +1.38-3.26 11 Faiveley 으며열차의속도가감소할때부압은감소하고, 열차의속도가증가하면부압도증가하며, 열차가일정한운행속도일때부압역시일정하게발생하는것이확인되었다. 또한 PSD에작용하는압력은 Case 1에서 Fig. 5와같이압력측정위치마다한번씩불연속적으로변하지만, Case 3에서는 Fig. 11과같이압력측정위치마다두번씩불연속적으로변하는현상이관찰되었다. 승강장가운데부분 (15 m) 을예로들면 Fig. 11의 62초일때압력은 Pa에서 -2 Pa로급격히감소하였다. 그리고 72초일때는 -16 Pa에서 -4 Pa로반대로증가한것을알수있다. Fig. 12에서 62초는승강장가운데부분 (15 m) 을열차의선두가지난직후이고 72초는열차의후미가지난직후이다. 즉 PSD 영역중선두부가지나는지점에서는압력이급격히감소하고후미부가지나는지점에서는급격히증가하는것을알수있다. 4. 결론 본연구에서는섬식승강장구조인서울대입구역을 3차원모델링하여 3가지운행조건에따라 PSD에작용하는풍압을수치해석하였다. PSD의설치로인하여차단된열차운행통로내부에서공기의압축성효과로인한압축파와팽창파가생성, 소멸되어압축파는 PSD에양압으로작용하고, 팽창파는부압으로나타나는것을확인하였다. Case 1, 2, 3 모두열차선두앞부분의 PSD에서압축파로인한최대양압이발생하고열차선두부가지난곳이후의압력은양압에서부압으로바뀌고두압력값의차이는열차의속도가최대인 Case 3에서최대가된다. PSD에작용하는부압의최대값은열차가점차감속하는 Case 1의경우시간에따라점점감소하였고, 열차가가속하는 Case 2의경우시간에따라증가했으며, 일정한 최고운행속도로역사를통과한 Case 3의경우에는그값이일정하였다. 이와같이 PSD에작용하는부압의최대값은열차의운행속도와관계있음을예측하였다. 각각의열차운행조건마다설계안전의기준이되는양압과부압의최대값은 Table 2와같다. 결과적으로 Table 3과같이 PSD의선례및풍압조건과비교해볼때지하철 2호선 PSD의설치에대한설계및시공조건은설계안전기준에부합되며적절한설계가이루어졌다고생각된다. 후기 본연구는태창엔지니어링의지원으로수행되었으며, 이에관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 [1] 21, 허남건, 김사량, 고속전철열차풍시뮬레이션, 설 비공학논문집, 제18권, 제5 호, pp.6-78. [2] 21, 조두신, 허남건, 김사량, 한국고속전철 (KTX) 이역 사를통과할때격벽의높이에따른풍하중의변화에대 한수치해석연구, 한국전산유체공학회지, 제6 권, 제1 호, pp.56-62. [3] 24, N. Hur, S. R. Kim, W. Kim and S. Lee, "Wind Pressure Transients in the Tunnel inside a Station Caused by a Passing High Speed Train," KSME International Journal, Vol.18, No.9, pp.1614-1622. [4] 24, STAR-CD Manual, Ver. 3.24, Computational Dynamics Ltd. [5] 22, 허남건, 경부고속철도신경주역사 신축설계 현장 측정및학술연구용역관련자료비교검토서, ( 주 ) 포스에 이씨보고서. [6] 24, 정해권, 하만영, 김경천, 전충환, 최호진, 주재천, 문 정만, 황성기, PSD 설치에따른지하철내부유동장계 산, 대한기계학회추계학술대회논문집, pp143-1435. [7] 21, 김정엽, 신현준, 조정식, 지하철정거장에서의열 차진입시열차풍해석, 대한설비공학회하계학술발표회 논문집, pp.791-795. [8] 26, 이재열, 신광복, 류봉조, 김동현, 이은규, 열차진입시풍압에의한완전밀폐형승강장스크린도어 (PSD) 시스템의구조안정성평가, 한국철도학회논문집, 제9 권, 제5 호, pp.594-6. [9] 26, 허남건, 지하철 2호선서울대입구역열차운행에따른풍압시뮬레이션해석, ( 주 ) 삼중테크보고서.