[논문 리뷰] Heat Transfer in Underground Rail Tunnels

Stefan Sadokierski, Jean‐Luc Thiffeault|ArXiv.org|2007. 09. 12.

Aerodynamics and Fluid Dynamics Research참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 터널 공기와 주변 토양 간의 일시적 열전달을 고려한 지하 철도 터널을 위한 결합 열모델을 개발한다. 난류 유동 프로파일과 반경 방향 열전도를 포함하며, 기차 운행에 의해 유도되는 열전달 계수의 변동이 효과적인 추가 열원으로 작용하여 평균 토양 온도를 상승시키고 정적인 가정을 무너뜨린다. 주요 결과로는 일일 및 계절 주기 동안 상당한 단계 이완과 열질량 효과가 관찰된다.

ABSTRACT

The transfer of heat between the air and surrounding soil in underground tunnels ins investigated, as part of the analysis of environmental conditions in underground rail systems. Using standard turbulent modelling assumptions, flow profiles are obtained in both open tunnels and in the annulus between a tunnel wall and a moving train, from which the heat transfer coefficient between the air and tunnel wall is computed. The radial conduction of heat through the surrounding soil resulting from changes in the temperature of air in the tunnel are determined. An impulse change and an oscillating tunnel air temperature are considered separately. The correlations between fluctuations in heat transfer coefficient and air temperature are found to increase the mean soil temperature. Finally, a model for the coupled evolution of the air and surrounding soil temperature along a tunnel of finite length is given.

연구 동기 및 목표

• 지하 철도 터널의 온도 변화를 예측하는 데 있어 정적 모델의 한계를 해결하기 위해, 실제 시스템에서 관찰되는 단계 이완 현상을 다루는 것.
• 토양의 열질량과 열전도도를 고려하여 터널 공기와 주변 토양 간의 결합된 열역학적 동역학을 모델링하는 것.
• 지나가는 기차에 의해 유도되는 열전달 계수의 단기적 변동이 장기적인 토양 온도 프로파일에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 야간 환기와 계절 변화가 최고 터널 온도에 미치는 영향을 포괄하는 동적 모델을 개발하는 것.
• 유체역학과 일시적 열전도를 통합하여 지하 철도 시스템의 열관리에 대한 예측 정확도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 표준 난류 유동 가정과 마찰 속도 수식을 사용하여 개방 터널과 기차-터널 간극 내의 난류 유동 프로파일을 유도한다.
• 뉴턴 냉각 법칙에 기반하여 벽면의 벽면 마찰 응력과 공기 속도를 사용해 터널 벽면과 기차 표면에서의 열전달 계수(ht 및 hv)를 계산한다.
• 시간에 따라 변하는 내부 반경에서의 경계 조건을 가진 원통좌표계에서의 반경 방향 열전도 방정식을 푼다.
• 열확산도와 열전도도 파rameter를 사용하여 인파르스 및 진동하는 온도 입력에 대한 열확산 모델링을 위해 해석적 해를 적용한다.
• 단기적 열전달 계수의 변동과 터널 공기 온도 사이의 상관관계를 도입하여 이를 효과적인 열원으로 모델링한다.
• 축방향 공기 온도 변화와 반경 방향 토양 온도 확산을 고려한 연속적인 비균일 열원을 포함한 결합 모델을 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지나가는 기차에 의해 유도되는 열전달 계수의 단기적 변동이 주변 토양의 평균 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 주변 토양의 열질량이 일일 및 계절 주기 동안 터널 공기 온도의 단계 이완에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 동일한 외부 조건에서도 런던 지하철이 봄보다 가을에 더 따뜻한 이유는 무엇인가? 표준 정적 모델은 이를 예측하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 야간 환기가 다음 날의 최고 터널 온도에 어떤 영향을 미치며, 이를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 개방 터널과 기차-터널 간극 간의 효과적 열전달 계수는 어떻게 달라지며, 열부하 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기차에 의해 유도되는 열전달 계수의 단기적 변동은 공기 온도와 상관관계를 형성하며, 이는 효과적인 추가 열원으로 작용하여 모델에서 평균 토양 온도를 최대 1.5 K 상승시킨다.
• 일일 진동에 대한 열경계층 두께는 약 0.1 m이며, 연간 진동에 대해서는 약 1.8 m까지 확장되어 강한 계절적 침투를 나타낸다.
• 개방 터널의 온도 진동 감쇠 시간은 약 5.3일(4.56 × 10⁶ s)이며, 간극에서는 약 5.3시간(4.56 × 10⁵ s)으로, 기차 인근 영역에서 더 빠르게 감쇠됨을 보여준다.
• 개방 터널의 효과적 열전달 계수는 127 m⁻¹(Ht = ht/Ks)이며, 간극에서는 314 m⁻¹(Hv = hv/Ks)로, 기차-터널 간극에서 훨씬 강한 결합이 있음을 나타낸다.
• 모델은 주변 토양의 열관성으로 인해 야간 공기 온도와 터널 공기 온도 사이의 단계 이완이 발생하며, 이는 지하철이 봄보다 가을에 더 따뜻한 이유를 설명한다.
• 시간에 따라 변하는 열전달 계수와 반경 방향 열전도를 포함함으로써, 정적 모델이 예측할 수 없는 일시적 효과(예: 야간 환기)를 모델이 포착할 수 있다.