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문제 정의
- 본 연구는 화재가 발생한 전동차가 승강장에 정차된 경우 배연 운전모드에 따른 열, 일산화탄소 및 가시 거리분포 차이를 비교 분석하여 최적의 배연방식 선정을 목적으로 한다. 이를 위하여 전혀 배연을 하지 않은 경우, 승강장에서 4분 및 10분 배연 후 터널에서 배연으로 전환하여 수행한 경우의 3가지로 구분하여 비교 분석하였다.
- 본 연구에서 고려한 수치해석 조건인 승강장 배 연후 터널 배연으로의 전환 시간을 발화 4분, 10분 및 모든 배연 시스템이 작동하지 않은 경우로 구분하여 열 및 연기확산 분포 예측을 목적으로 한다. 화재는 하행 방향의 승강장 끝단을 기준으로 100m지점(전동차 5량 내)의 전동차 바닥에서 발생된 것으로 설정하였다.
제안 방법
- 2 m 간격으로 생성하였다. 2.1 절에서 언급했던 숭강장, 터널 및 전동차의 크기, 위치, 재료 특성, 기둥 등은 실제와 유사하게 모델링 하였다.
- 이와 같은 문제점의 대안으로 지하역사 내 화재 발생으로 인한 연기 및 열유동의 분석 및 화재 영향평가 연구는 수치해석을 통하여 많이 접근하고 있는 실정이다.笊)본 연구의 시나리오는 화재가 발생한 전동차가 승강장에 정차되어 있는 상황을 고려하여 승강장 및 터널 환기실 팬의 작동 유무와 전환 시간에 따른 열, 일산화탄소 및 가시거리분포 특성을 승객의 호흡 높이를 기준으로 수치해석을 통하여 검토하였다.
- 본 연구에서 고려한 승강장 및 터널 배기 방식을 Table 2에 나타내었다. 승강장의 배연 팬은 화재발생과 동시에 작동되도록 설정하였으며, 터널 천장에 설치된 환기팬이 최고 유속인 2.5m/s에 도달하는데 소요되는 시간을 30 초로 설정하였다.
- 일반적으로 승강장 배연에서 터널 배연으로의 전환은 승객 피난이 진행 중일 경우 승강장 천장부에 설치된 배기구를 통하여 배연을 수행하며, 피난이 완료된 후 터널에 설치된 환기팬을 작동하여 보다 신속하게 연기를 배출하는 것이다. 승객 피난시 직접적인 영향을 미치는 열, 일산화탄소 및 가시거리 분포를 호흡 높이를 1.7 m로 고려하여 검토하였으며, 결론을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 초기 온도는 20 °C 이며, 기타 계단 둥과 같은 구조물은 콘크리트로 설정하였다. 시뮬레이션 수행시간은 화재성장속도, 승객 피난 시간 등을 고려하여 15분으로 하였다. 본 연구에서 고려한 승강장 및 터널 배기 방식을 Table 2에 나타내었다.
- 한다. 이를 위하여 전혀 배연을 하지 않은 경우, 승강장에서 4분 및 10분 배연 후 터널에서 배연으로 전환하여 수행한 경우의 3가지로 구분하여 비교 분석하였다. 일반적으로 승강장 배연에서 터널 배연으로의 전환은 승객 피난이 진행 중일 경우 승강장 천장부에 설치된 배기구를 통하여 배연을 수행하며, 피난이 완료된 후 터널에 설치된 환기팬을 작동하여 보다 신속하게 연기를 배출하는 것이다.
- 현재 국내의 설정 모드인 승강장에서의 배연만을 고려한 경우 및 Switch mode로 작동할 경우의 제연 성능 비교를 기 수행 하였으며, 제연에 좀 더 효과가 좋을 수 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 수치해석의 결과를 바탕으로 환기팬이 전혀 작동하지 않은 경우와 승강장에서 터널로 배연 시스템이 전환되는 시간차에 의한 열, 연기 및 가시거리 분포 특성이 승객 피난에 미치는 영향예측을 위하여 호흡높이를 1.7 m涅 고려하여 비교하기로 한다. 결과 그림은 승강장 바닥 높이 1.
대상 데이터
- 연구의 대상이 되는 역사"는 Figure 1과 같은 구조의 서울지하철 4호선 수유역과 상 . 하행선 방향의 일부 터널을 이며, 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 205 m(승강장 총 길이):10m(간격) X2(상대식승강장) = 총 42개의 Area로 구분되며, 모든 Area 내부에는 결과를 수치로 뽑아내기 위한 Point measurement/} 높이 1.7 이를 기준으로 길이방향으로 2.5 m, 5.0 m, 7.5 m지점에 각각 설정하였다. 따라서 고려된 Point의 총 개수는 122개이며, 각 Area 내부의 3개 Point를 평균하여 그래프에 표시하였다(Figure 5 참조).
- 비회색가스 물성치는 FDS에서 제공하는 밴드 모델을 이용한다. 격자구성은 Figure 3에 나타낸 바와 같이 약 100만개로 생성하였으며, 대표적인 격자크기는Ax = 0.2 m, Ay = 0.5 m, Az = 0.2 m 간격으로 생성하였다. 2.
- 수치해석을 위한 대상 모델링은 서울메트로에서 입수한 도면 및 기 수행한 실험을 위한 사전답사 둥을통하여 수집된 자료를 활용하였다. 수치해석을 위하여 사용한 프로그램은 화재 전용 해석 Field 모델 코드인NIST(National Institute of Standards and Technology)0!] 서 개발한 FDS(Fire Dynamic Simulator) V 4.
- 환기실은 대합실 양 끝단 및 터널 상·하행천장부에 각각 위치하고 있으며, 대합실 및 터널에 각각 동일한 성능의 팬들이 설치되어 환기 및 배기를 제어하게 된다. 차량 내장재 재료는 교체차량을 고려하여 벽과 천장: Aluminum, 의자 커버: Stainless Steel 및 바닥: Synthetic Rubber로 설정하였다. 기타 고려된 승강장 내 구조물로는 내부 계단, 승강장 벽, 환기구 디뷰져, 기둥 및 제연 경계벽 등이다.
- 상대식(지 하역) 상 . 하단 직선 승강장 구조이며, 지하 1 층 대합실 지하 2충 승강장으로 구성되어 있다. 해석대상의 크기는 승강장: 20.
- 하단 직선 승강장 구조이며, 지하 1 층 대합실 지하 2충 승강장으로 구성되어 있다. 해석대상의 크기는 승강장: 20.4 m[W] X 205 m[L] X 6 m[H], 터널: 8.0m[W]X6.0m[L]X10.0m[H]X2(상 . 하행) 및 전동차: 3.2 m[W] X 4.3 m[L]X 19.5 m[H]X 10량이다. 내부계단은 양쪽 승강장에 각각 4개씩 총 8개가 설치되어 있다.
- 연기확산 분포 예측을 목적으로 한다. 화재는 하행 방향의 승강장 끝단을 기준으로 100m지점(전동차 5량 내)의 전동차 바닥에서 발생된 것으로 설정하였다. 반응 연료는 헵탄, 화재는 발화 5분 경과 후 최대 열 방출량인 15MW가 되는 것으로 설정하였으며 화재성장 속도는 Power Law Relation'。) 공식을 사용하였다.
이론/모형
- 화재는 하행 방향의 승강장 끝단을 기준으로 100m지점(전동차 5량 내)의 전동차 바닥에서 발생된 것으로 설정하였다. 반응 연료는 헵탄, 화재는 발화 5분 경과 후 최대 열 방출량인 15MW가 되는 것으로 설정하였으며 화재성장 속도는 Power Law Relation'。) 공식을 사용하였다. Figure4는 앞에 언급한 공식을 이용한 시간 경과에 따른 화재성장곡선을 보여주고 있다.
- 혼합분율 연소모델 (Mixture Fraction Combustion Mode)로 연소현상을 예측할 수 있다. 비회색가스 물성치는 FDS에서 제공하는 밴드 모델을 이용한다. 격자구성은 Figure 3에 나타낸 바와 같이 약 100만개로 생성하였으며, 대표적인 격자크기는Ax = 0.
- FDS는 Navier-stokes 방정식을 고려하며, 이 방정식의 확산 항들은 LES(Large Eddy Simulation) 계산으로 해결된다. 온도를 해석하기 위하여 복사열전달을 고려한 에너지방정식을 풀며, 복사열전달방정식을 해석하기 위하여 유한체적법 (Finite Volume Method, FVM)을 사용한다. 혼합분율 연소모델 (Mixture Fraction Combustion Mode)로 연소현상을 예측할 수 있다.
성능/효과
- 이와 같은 결과는 터널 환기 팬 작동이 열을 호흡높이로 빠르게 하강시킬 수 있음을 보여준다. 발화 330초 후 화재가 발생한 전동차 내부의 온도가 대피로 한계 온도인 60。(2를 초과하기 시작하고 화재주변은 발화 240초 후 터널 환기팬이 작동하였을 경우에서 가장 높은 온도 분포를 보이며, 이외 승강장 및 전동차 내부의 온도는 환기팬 미작동할 경우, 두 번째가 터널 환기팬이 작동하는 경우이며, 승강장 환기팬이 작동한 경우가 가장 낮은 온도분포를 나타내었다. 발화 후 600초 이내에서 환기팬 작동은 상.
- 2) 터널 팬이 작동은 승강장 끝단 구간의 열, 일산화탄소 배출 및 가시거리를 확보하는데 매우 효율적으로 나타났다.
- 3) 피난이 완료되지 않은 시점에서 터널 환기팬의 작동은 열 및 일산화탄소를 호흡높이로 빠르게 전파시킬수 있음으로 승객이 승강장에서 완전히 탈출 후 작동되어야 할 것이다.
- 국내 많은 역사의 내부계단이 승강장 끝단에 위치함으로 환기팬 작동의 안전에 피난에 직결됨을 확인할 수 있다. 또한 터널 환기팬이 10분 후 작동되는 경우도 4분 후 작동한 경우와 동일하게 열이 빠르게 호흡 높이로 확산됨을 보인다. Figure 7, 8은 발화 690초 후 온도 분포를 보여주고 있다.
- 발화 150~240초 사이에서 환기팬 작동으로 CO 농도가 높게 나타난 구간(y=50~70m)을 제외하고 승강장 전 구간 및 전동차 내부는 환기팬 미작동시가 높게 분포함을 확인할 수 있다. 또한 화재발생과 동시에 환기 팬이 작동한 화재지점기준 하행방향으로 확산이 좀 더 빠르게 나타났다.
- 발화 180초 이후 환기팬 작동 여부에 따른 열확산의 차이를 보이기 시작하며, 팬의 작동은 전동차 내부 및 승강장으로의 열확산을 지연시키는 것을 확인할 수 있다. 환기팬이 미작동시 상 .
- 하행 방향으一로 유사한 가시거리를 보인 반면 환기팬 작동한 경우 화재발생과 동시에 작동된 화재구역(하행)으로 기류가 형성되어 가시거리에 더 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 발화 240초 이후 여전히 환기팬 미작동시에 가장 가시거리가 짧게 나타났으며, 승강장 환기팬에서 터널 환기팬으로 전환되어 작동한 경우가 승강장 환기팬이 지속적으로 작동한 경우에 비하여 좀 더 가시거리가 짧아짐을 확인할 수 있다. 화재발생시 승강장 및 터널 환기팬 작동 은상 .
- 또한 화재발생과 동시에 환기 팬이 작동한 화재지점기준 하행방향으로 확산이 좀 더 빠르게 나타났다. 발화 270초 이후 상행방향 전 구간 및 전동차 내부의 CO확산은 환기팬 미작동, 4분 후 터널 환기팬 작동 그리고 10분 후 터널 환기팬 작동 순으로 넓고 높은 농도분포를 보이며, 하행방향으로는 매우 불규칙한 분포를 보이지만, y = 0~40m구간 내에서는 터널 환기팬이 작동될 때 CO농도가 가장 낮은 것으로 나타났다. Figure 9, 10은 발화 690초 후 내고 있다.
- 발화 10분 후 작동한 터널 환기팬으로 CO가 빠르게 승강장 전역으로 확산되는 경향을 나타내었다. 발화 810초 후 CO 가 터널 환기팬의 작동시간에 상관없이 유사한 농도분포를 보여주었으며, 환기팬을 고려하지 않은 경우에 비하여 CO 농도는 낮고 확산 구간분포도 좁게 나타났다.
- 하지 않은 경우에 비하여 열 및 일산화탄소를 외부로 빠르게 배출시키며, 또한 가시거리 확보가 유리한 것으로 나타났다.
- 환기팬이 미작동시 상 . 하행 방향으로 유사하게 열이 확산된 반면, 화재발생과 동시에 팬이 작동한 하행방향(Fire Compartment/Zone)으로 열이 더 빠르게 확산되는 경향을 보였다. 발화 270초 후 하행방향의 일부 구간(y = 70~90m)에서는 터널 환기팬 작동(4분)으로 온도가 급격히 상승된다.
- 발화 후 600초 이내에서 환기팬 작동은 상.하행 방향의 승강장 끝단 구간(y = 0~40m, 160-205 m)으로의 열 확산을 지연에 매우 효과적임을 확인할 수 있다. 국내 많은 역사의 내부계단이 승강장 끝단에 위치함으로 환기팬 작동의 안전에 피난에 직결됨을 확인할 수 있다.
- 화재발생시 승강장 및 터널 환기팬 작동 은상 . 하행방향 승강장 끝단 구간 내의 가시거리를 확보하는데 매우 효과적인 것으로 나타났다. 발화 600초 이전 거의 모든 승강장 내에서 가장 넓은 가시거리를 유지했던 승강장 환기팬이 작동한 경우에서 터널 환기 팬으로 전환 작동되면서 발화 4분 후 터널 환기 팬으로 전환 작동한 경우와 시간경과에 따라 유사한 가시거리 분포의 경향을 보여준다.
- 작동 방식을 Switch mode라 한다. 현재 국내의 설정 모드인 승강장에서의 배연만을 고려한 경우 및 Switch mode로 작동할 경우의 제연 성능 비교를 기 수행 하였으며, 제연에 좀 더 효과가 좋을 수 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 수치해석의 결과를 바탕으로 환기팬이 전혀 작동하지 않은 경우와 승강장에서 터널로 배연 시스템이 전환되는 시간차에 의한 열, 연기 및 가시거리 분포 특성이 승객 피난에 미치는 영향예측을 위하여 호흡높이를 1.
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