고속열차 증속에 따른 터널 출구 미기압파 특성과 터널 후드 경사각의 저감 효과

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2034년 KTX 내구연한이 도래함에 따라, 국내에서는 현재 최고운행속도 300 km/h인 경부고속선을 400 km/h로 증속하려는 연구가 진행 중이다. 고속열차의 증속은 다양한 공기역학적 특성을 악화시키는데, 터널 주행조건에서 대표적인 예시 중 하나가 미기압파(Micro-pressure wave)이다. 고속열차가 터널에 진입하면 피스톤 효과로 압축파가 발생하고, 이 중 일부는 터널 출구에서 미기압파로 방사되어 소음과 진동을 유발한다. 그러나, 현재 기존 터널 후드가 이러한 주행속도 대역에서도 충분한지는 검토되지 않았다. 본 연구는 경부고속선 후드가 설치되어 있는 복안터널에 KTX 열차가 260~400 km/h의 주행속도로 진입할 때 미기압파를 분석하고, 400 km/h에서 후드 경사각 변경에 따른 저감 가능성을 조사하였다.

분석 대상 터널의 유효 단면적은 109.07 m², 기존 후드의 단면적·길이·경사각은 각각 124.74 m², 14.65 m, 45°이다. 차량은 미기압파에 초점을 맞춰 KTX 4량(길이 88.904 m)으로 축약하였으며, 열차와 터널 사이 폐색률은 8.93%이다. 3차원 비정상 압축성 RANS와 SST k–ω 난류모델, 슬라이딩 격자를 적용해 260, 300, 340, 370, 400 km/h에서 후드 유무를 비교하였다. 미기압파는 속도의 세제곱에 비례하여 증가하는 경향을 보였다. 후드를 설치하지 않은 경우에서는 340 km/h부터 20 m 지점의 미기압파가 기준 50 Pa를 초과하였다. 기존 후드를 유지할 경우에도 400 km/h에서 후드 출구로부터 20 m 지점에서의 최대값은 56.42 Pa 로 기준을 넘었다. 같은 속도에서 후드 경사각 65°, 45°, 25°의 직접 해석값은 각각 78.79, 56.42, 34.14 Pa 였다. 경사각을 45°에서 25°로 줄일 때 최대값은 39.5% 감소하다. 세 경사각의 결과를 이용하여 산출한 회귀식을 통해 경사각을 약 31° 이하로 낮추면 20 m 지점 예측값은 약 41 Pa로 50 Pa 이하 기준을 만족할 것으로 예측되었다.