In this study, the unsteady flow field induced by a high-speed train passing through a tunnel is numerically simulated by using an axi-symmetric Euler Equation. The modified patched grid scheme applied to a structured grid system was used to handle the relative motion of a train. The hybrid-dimensional approach which mixed 1D and axi-symmetric dimension was used to reduce the computation time and memory storage. By employing the hybrid-dimensional approach, a long tunnel as much as 5 km was able to be simulated efficiently. The results show that the maximum pressure rise in the tunnel by the entrance of the train is a function of both train speed and train-tunnel cross-sectional area ratio. The unsteady pressure fluctuation in the tunnel and around the train was also investigated in the real condition; Korean high-speed train on the Seoul-Pusan line.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.1
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pp.105-115
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2014
A numerical analysis on the smoke behavior and evacuee safety has been performed with computational fluid dynamics. The purpose of this study is to build computational processes for an evacuation and prevention of a fire disaster of a 3 km-length tunnel in Korea. To save computational cost, 1.5 km of the tunnel that can include a few cross-passing tunnels is considered. We are going to assess the fire safety in a road tunnel according to the smoke level, which consists of the smoke density and the height from the floor. The smoke density is obtained in detail from three-dimensional unsteady CFD analysis. To obtain proper temperature distributions on the tunnel wall, one-dimensional conduction equation is considered instead of an adiabatic wall boundary or a constant heat flux. The tunnel considered in this study equips the cross passing tunnels for evacuees every 250 m. The distance is critical in both safety and economy. The more cross passing tunnels, the more safe but the more expensive. Three different jet fan operations can be considered in this study; under- and over-critical velocities for normal traffic condition and 0-velocoty operation for the traffic congestion. The SE (smoke environment) level maps show a smoke environment and an evacuating behavior every moment.
Pressure change inside cabin as well as in tunnel has been calculated to assess the passenger pressure comfort of high-speed train. $C-STA^{TM}$, a CFD program based on axi-symmetric Navier-Stokes equation and Roe's FDS has been used to simulate the pressure change in tunnel during a high-speed train passing through it. To present the relative motion between the train and the tunnel, a modified patched grid scheme based on the structured grid system has been employed. The simulation program has been validated by comparing the simulation results with field measurements. Extensive parametric study has been conducted for various train speed, tunnel cross-sectional area and tunnel length to the pressure change in cabin. KTX-Sancheon(KTX2) high-speed train has been chosen for simulation and the train speed have been varied from 200 km/h to 375 km/h. The tunnel length has been varied from 300 m to 7.5 km and tunnel area from $50m^2$ to $120m^2$. Total 504 simulations have been conducted varying the parameters. Based on the database produced from the parametric simulations, minimum tunnel cross-sectional area has been surveyed for various train speeds based on Korean regulation on pressure change in cabin.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2000.03b
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pp.117-124
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2000
This paper presents the construction planning and the detail design of a 16.2 km long railroad tunnel in a mountainous area. Major design conditions for railroad are the single track, loop-typed alinement, and a maximum grade of 24.5$\textperthousand$. A underground station(double track) with a length of 1.1km is located in the middle of the line for train cross-passing. Tunnel is excavated in highly complex geological conditions including faulted areas, abandoned mine works areas, and various rock types such as sandstone, shale, limestone, and coal seam partly. Drilling and blasting method was adopted because it is more flexible than TBM(Tunnel Boring Machine) as a result of risk assessment for geological conditions in this area. Two working adits were planned to adjust the construction schedule and can be used for ventilation and maintenance in operation phase. New material and concept were introduced to the tunnel drain design. They are expected to improve tunnel drain condition and capability. Rational tunnel support design was tried to consider the various tunnel size and purpose and to use the geological investigation results.
The pressure-mitigating effects of a high-speed train passing through a tunnel with a partially reduced cross-section are investigated via the numerical approach. A compressible, three-dimensional RNG k-ε turbulence model and a hybrid mesh strategy are adopted to reproduce that event, which is validated by the moving model test. Three step-like tunnel forms and two additional transitions at the tunnel junction are proposed and their aerodynamic performance is compared and scrutinized with a constant cross-sectional tunnel as the benchmark. The results show that the tunnel step is unrelated to the pressure mitigation effects since the case of a double-step tunnel has no advantage in comparison to a single-step tunnel, but the excavated volume is an essential matter. The pressure peaks are reduced at different levels along with the increase of the excavated earth volume and the peaks are either fitted with power or logarithmic function relationships. In addition, the Arc and Oblique-transitions have very limited gaps, and their pressure curves are identical to each other, whereas the Rec-transition leads to relatively lower pressure peaks in CPmax, CPmin, and ΔCP, with 5.2%, 4.0%, and 4.1% relieved compared with Oblique-transition. This study could provide guidance for the design of the novel railway tunnel.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.9
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pp.1139-1148
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1997
Compression waves propagating in a high-speed railway tunnel develops large pressure fluctuations on the train body or tunnel structures. The pressure fluctuations would cause an ear discomfort for the passengers and increase the aerodynamic resistance of trains. As a fundamental research to resolve the pressure wave phenomenon in the tunnel, experiments were carried out by using a shock tube with an open end. A blockage to model trains inside the tunnel was installed on the lower wall of shock tube, thus forming a sudden cross-sectional area reduction. The compression waves were obtained by the fast opening gate valve instead of a conventional diaphragm of shock tube and measured by the flush mounted pressure transducers with a high sensitivity. The experimental results were compared with the previous theoretical analyses. The results show that the ratio of the reflected to the incident compression wave at the sudden cross-sectional area reduction increases but the ratio of the passing to the incident compression wave decreases, as the incident compression wave becomes stronger. This experimental results are in good agreements with the previous theoretical ones. The maximum pressure gradient of the compression wave abruptly increases but the width of the wave front does not vary, as it passes over the sudden cross-sectional area reduction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.6
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pp.823-831
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1998
In order to investigate the impulsive noise at the exit of high-speed railway tunnel and the pressure transients inside the tunnel, numerical calculations using a Total Variation Dimishing difference scheme were applied to axisymmetric unsteady compressible flow field. Some compression wave forms were assumed to model the compression wave produced in real high-speed railway tunnel. The numerical data were extensively explored to analyze the peak over-pressure and maximum pressure gradient in the pressure wavefront. The effect of the distance and cross-sectional area ratio between two-continuous ducts on the characteristics of the pressure waves were investigated. The peak over-pressure inside the second duct decreases for the distance and cross-sectional area ratio between two tunnels to increase. The peak over-pressure and maximum pressure gradient of the pressure wavefront inside the second duct increase as the maximum pressure gradient of initial compression wave increases. The present results were qualitatively well agreed with the results of the previous shock tube experiment.
A numerical simulation has been performed to estimate the transient pressure variation in the tunnel when G7 test train passes through the test tunnel in the Kyoeng-Bu high-speed railway. A modified patched grid scheme is developed to handle the relative motion between a train and a tunnel. Also, a hybrid dimensional approach is proposed to calculate the train-tunnel interaction problem efficiently. An axi-symmetric unsteady Euler solve using the Roe's FDS is used for analyzing a complicated pressure field in tunnel during the test train is passing through the tunnel. Usually, this complex phenomenon depends ell the train speed, train length, tunnel length, blockage ratio between train and tunnel cross-sectional area, relative position between train and tunnel, etc. Therefore, numerical simulation should be done carefully in consideration of these factors. Numerical results in this study would be good guidance to make test plans, test equipments selection and to decide their measuring locations. They will also supply important information to the pressurization equipment for high-speed train.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.12
no.6
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pp.417-427
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2010
In the ease that a new cross tunnel is constructed under the existing tunnel, development of a longitudinal arching would be influenced by the existing tunnel. But it is not enough to investigate. Especially, the influence of the structure loads on the ground surface on the new tunnel, which the under-passes existing tunnel has been rarely studied. This study, therefore, aimed to clarify the effect of the existing tunnel and the structure on the ground surface on the development of a longitudinal ground arching during the excavation of a cross tunnel under the existing tunnel. Two-dimensional model tests were carried out in the test box, whose dimension was 30 cm (wide) ${\times}$ 113 cm (deep) ${\times}$ 87 cm (high). The existing tunnel was made of S21 steel tube in 16 cm diameter and 1 mm thickness. The ground surface load was 4.9 kPa and was loaded on the model structure in the size with 30 cm width ${\times}$ 16 cm height. New tunnel was excavated in 250 mm height by a bench cut method. As results, the longitudinal arching would be developed but it was severely influenced by not only the existing upper tunnel but also the ground surface load. The influence of the ground surface load on the development of longitudinal ground arching around a new tunnel showed the highest value when the tunnel face located direct under the surface load.
When a high speed train enters a tunnel, wind speed passing through the train in a tunnel section becomes higher due to the reverse flow to the direction of the train. The higher wind speed gives more aerodynamic forces to the pantograph on the train. Therefore, it is necessary to perform aerodynamic and dynamic analyses in order to check whether the current collection of the high speed train, entering the tunnel, still remain permissible or not. In this paper, the aerodynamic analysis has been performed under the assumption that a high speed train at 300 km/h enters a tunnel whose cross sectional area Is 107/㎡ and length is 1000m. In consideration of the aerodynamic analysis results, the dynamic analysis has been performed based on the catenary and pantograph dynamic models in SEOUL-PUSAN high speed rail, using the GASENDO developed by RTRI. In addition, the fatigue life of the contact wire has been reviewed using the Goodman diagram. Based on the analysis results, it is concluded that the increase of the aerodynamic forces on the pantograph in the tunnel section shall not affect characteristics of current collection adversely except that motions of the pantograph may be constrained by bump-stops.
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