진공펌프에 의한 대류 열전달을 이용한 하이퍼루프 추진코일 냉각 효과에 대한 수치해석

Abstract

The Hyperloop is a next-generation transportation system that achieves speeds of 1,280 km/h within a near-vacuum tube at 0.001 atmospheres using the speed of sound. The capsules inside the tube move through a magnetic levitation system and consist of propulsion and levitation coils. However, when current passes through these coils, it generates heat due to Ohmic loss, which increases the coil's temperature. The rise in temperature alters the intrinsic properties of the coil, increasing its resistance and subsequently demanding higher voltages for propulsion, potentially causing damage to the capsule and the tube structure. Therefore, managing coil temperature and implementing cooling methods are crucial for energy efficiency and thermal stability. This study focuses on numerical analysis to explore cooling solutions for the primary heat source in the coils, the propulsion coil, by using a vacuum pump to intake external air and facilitate convective heat transfer for cooling. The aim is to confirm whether this method effectively cools the propulsion coil below its targeted design temperature of 343K. Additionally, by introducing V-shaped ribs, the study compares and analyzes the temperature, Nusselt number, and velocity field of the propulsion coil, assessing whether this modification enhances cooling performance compared to the conventional simple flow path. The research collects velocity field data around the V-shaped rib and proposes a new direction for cooling the Hyperloop's propulsion coil through comparative analysis of cooling performance. It also suggests innovative cooling approaches for the frame-shaped heat source based on this analysis. This translation captures the essence of the original text, discussing the Hyperloop's propulsion system, the challenges related to heat generation and temperature management in the coils, and proposed solutions for efficient cooling through numerical analysis and modifications in the coil design.|하이퍼루프(Hyperloop)는 0.001기압의 튜브 내부에서 1,280km/h의아음속의 속도를 내는 차세대 운송수단이다. 튜브 내부의 캡슐은 자기부상 시스템으로 움직이며, 추진코일 및 부상코일로 구성된다. 이 때 코일에 전류를 흘렸을 때 발생하는 동손(Ohmic loss)으로 인해 열이 생기며 이는 코일의 온도를 증가시킨다. 코일의 온도상승은 코일의 고유물성치 중 비저항을 증가시킴으로써 동손과 및 추진을 하기 위한 요구전압이 증가하게 되며 이에 따른 에너지 손실이 예상된다. 따라서 에너지 효율 및 열적 안정성을 위해 코일의 온도에 대한 관리 및 냉각방안이 필요하다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 코일 중 가장 큰 열원인 추진코일에 대하여 진공펌프를 이용하여 외부공기를 흡입하여 추진코일과 접촉시킴으로써 대류열전달로 인한 냉각을 수행하고, 추진코일의 목표설계온도인 343K밑으로 냉각이 되는지 확인함과 V자형 Rib을 추가하여 기존 단순유로에 비하여 냉각성능이 증가하는지 추진코일의 온도, 누셀 수 및 속도장에 대하여 비교분석을 진행하였다. 해당 연구를 통하여 V자형 Rib주변의 유동장에 대하여 속도장 데이터를 확보하였으며, 냉각성능 비교분석을 토대로 하이퍼루프의 추진코일의 대류열전달 냉각방안에 대한 새로운 방향성 및 프레임형태의 열원에 대한 새로운 냉각방안을 제시하였다.