도로터널내 열유동장의 형성은 여러 가지 요인의 영향을 받는다. 즉 차량의 이동에 의한 피스톤 효과, 환기설비의 환기력, 자연풍 영향, 화재시 부력 등에 따라 도로터널내 기류가 형성된다. 차량의 이동에 의한 피스톤 효과는 도로터널내 기류생성의 일차적인 요인이며, 화재시 연기의 초기 거동에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 도로터널내 차량의 이동에 의해 생성되는 비정상 기류를 분석하기 위해서 단순한 형태의 터널과 차량에 대한 축소모형실험장치를 제작하고 실험을 수행하였다. 기본형, 전두부 사변형, 후두부 계단형의 3가지 형태로 차량의 형상을 변화시켜가며 차량운행에 따라 형성되는 터널내 압력과 기류속도를 측정하였다. 실험결과 터털내 생성되는 압력과 속도의 크기는 "기본형>후두부 계단형>전두부 사변형"의 순서로 증가하였다. 실험결과는 향후 3차원수치해석 결과와의 비교, 검토를 통해서 수치해석 기술의 보완 및 신뢰성 확보를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.
도로터널내 열유동장의 형성은 여러 가지 요인의 영향을 받는다. 즉 차량의 이동에 의한 피스톤 효과, 환기설비의 환기력, 자연풍 영향, 화재시 부력 등에 따라 도로터널내 기류가 형성된다. 차량의 이동에 의한 피스톤 효과는 도로터널내 기류생성의 일차적인 요인이며, 화재시 연기의 초기 거동에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 도로터널내 차량의 이동에 의해 생성되는 비정상 기류를 분석하기 위해서 단순한 형태의 터널과 차량에 대한 축소모형실험장치를 제작하고 실험을 수행하였다. 기본형, 전두부 사변형, 후두부 계단형의 3가지 형태로 차량의 형상을 변화시켜가며 차량운행에 따라 형성되는 터널내 압력과 기류속도를 측정하였다. 실험결과 터털내 생성되는 압력과 속도의 크기는 "기본형>후두부 계단형>전두부 사변형"의 순서로 증가하였다. 실험결과는 향후 3차원 수치해석 결과와의 비교, 검토를 통해서 수치해석 기술의 보완 및 신뢰성 확보를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.
The thermo-flow field in road tunnel is influenced by some facts such as piston effect of vehicle's move, operation of ventilation facilities, natural wind and buoyancy effect of fire plume. Among those, piston effect is one of primary causes for formation of air flow in road tunnel and has an effec...
The thermo-flow field in road tunnel is influenced by some facts such as piston effect of vehicle's move, operation of ventilation facilities, natural wind and buoyancy effect of fire plume. Among those, piston effect is one of primary causes for formation of air flow in road tunnel and has an effect on initial direction of smoke flow in tunnel fire. In this study to analyze the unsteady flow in the tunnel caused by the run of vehicle, the experimental study of vehicle-induced unsteady flow on a reduced-scale model tunnel is presented. While the three types of vehicle shape such as basic type of rectangular shape, diamond-head type and stair-tail type are changed, the pressure and air velocity variations with time are measured. The rising ratio of pressure and velocity are in order of "basic type of rectangular shape > stair-tail type > diamond-head type". The experimental results would be good data for development of a numerical method on the vehicle-induced unsteady tunnel flow.
The thermo-flow field in road tunnel is influenced by some facts such as piston effect of vehicle's move, operation of ventilation facilities, natural wind and buoyancy effect of fire plume. Among those, piston effect is one of primary causes for formation of air flow in road tunnel and has an effect on initial direction of smoke flow in tunnel fire. In this study to analyze the unsteady flow in the tunnel caused by the run of vehicle, the experimental study of vehicle-induced unsteady flow on a reduced-scale model tunnel is presented. While the three types of vehicle shape such as basic type of rectangular shape, diamond-head type and stair-tail type are changed, the pressure and air velocity variations with time are measured. The rising ratio of pressure and velocity are in order of "basic type of rectangular shape > stair-tail type > diamond-head type". The experimental results would be good data for development of a numerical method on the vehicle-induced unsteady tunnel flow.
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문제 정의
도로 터널의 환기 및 제연시스템은 터널내 기류를 효과적으로 제어하는데 그 목적이 있다. 따라서 터널 환기 및 제연시스템이 소기의 성능을 발휘하기 위해서는 도로 터널 내 열유동 현상에 대한 해석과 대처가 잘 이루어져야 한다.
본 논문에서는 상기의 요소중에서 도로터널내 차량의 이동에 의해 생성되는 비정상 기류의 해석에 대하여 연구 결과를 제시하고자 한다. 차량의 이동에 의한 피스톤 효과는 도로터널내 기류생성의 일차적인 요인이며, 화재 시 연기의 초기 거동에 영향을 줄 수 있다.
본 연구에서는 단순한 형태의 터널과 차량에 대한 축소모형실험장 치를 제작하여 차량의 이동에 따라 터널 내에 생성되는 비정상 기류유동을 분석하였다. 차량의 형상을 변화시켜가며 차량운행에 따라 형성되는 터널 내 압력과 기류속도를 측정하였으며, 실험결과를 분석하였다.
본 연구에서는 도로터널내 차량의 운행에 의해 생성되는 비정상 기류에 대한 분석을 위해서 단순한 형태의 터널과 차량에 대한 축소모형실험장치를 제작하고 차량의 이동에 따라 터널내 형성되는 입력과 기류속도를 측정하였다. 또한 기본형, 전두부 사변형 및 후두부 계단형의 차량형상이 피스톤 효과에 미치는 영향에 대해 분석하였다 본 연구를 통해 도출된 결과는 다음과 같다.
제안 방법
아크릴로 제작한 터널의 총길이는 39 이이고 직사각형 단면의 단순한 형태로 제작되었다. 2대의 차량을 동시에 이동시켜서 차량의 연속운행에 따른 영향을 고찰하도록 하였으며 차량 사이 간격은 5 m로 하였다. 차량은 전단과 후단에 강선으로 연결되어서 가이드레일을 따라 전후로 이동하게 되며, 모터의 회전수를 제어하여 차량의 운행속도를 변경한다.
그림에서와 같이 터널과 차량의 형상은 수치해석 결과와의 비교를 고려하여 최대한 단순하게 제작하였으며, 차량은 그림 3와 같이 기본형, 전두부 사변형, 후두부 계단형의 3가지 형태를 적용하였다. 아크릴로 제작한 터널의 총길이는 39 이이고 직사각형 단면의 단순한 형태로 제작되었다.
또한 차량의 운행에 따라 통과하는 압력센서의 위치를 시간과 차량운행조건 및 차량의 운행거리에 따라 알 수 있도록 하였다. 그림에서와 같이 터널내 유동이 난류적 특성을 지니도록 하면서 동시에 등속운전구간을 최대한 확보하기 위하여 차량의 최고속도를 3 m/s로 설정하였다. 그림 5는 축소모형실험장치의 실제모습을 보여주고 있으며, 그림 6은 후두부 계단형 실험차량의 전경이다.
그림에서 실선은 시간에 따른 차량속도를 나타내며 점선은 차량의 운행거리를 나타내고 있다. 또한 차량의 운행에 따라 통과하는 압력센서의 위치를 시간과 차량운행조건 및 차량의 운행거리에 따라 알 수 있도록 하였다. 그림에서와 같이 터널내 유동이 난류적 특성을 지니도록 하면서 동시에 등속운전구간을 최대한 확보하기 위하여 차량의 최고속도를 3 m/s로 설정하였다.
생성되는 비정상 기류유동을 분석하였다. 차량의 형상을 변화시켜가며 차량운행에 따라 형성되는 터널 내 압력과 기류속도를 측정하였으며, 실험결과를 분석하였다. 실험결과는 향후 3차원 수치해석결과와의 비교/검토를 통해서 수치해석기술의 보완 및 신뢰성 확보를 위한 기초자료로서 활용될 것이다.
5 이이다. 터널 입출구에 속도 센서를 설치하였고 터널 중간부에 차량의 운행시 시간에 따른 압력변화를 측정하고자 총 4개의 압력센서를 설치하였다. 속도와 압력 모두 0.
대상 데이터
그림에서와 같이 터널과 차량의 형상은 수치해석 결과와의 비교를 고려하여 최대한 단순하게 제작하였으며, 차량은 그림 3와 같이 기본형, 전두부 사변형, 후두부 계단형의 3가지 형태를 적용하였다. 아크릴로 제작한 터널의 총길이는 39 이이고 직사각형 단면의 단순한 형태로 제작되었다. 2대의 차량을 동시에 이동시켜서 차량의 연속운행에 따른 영향을 고찰하도록 하였으며 차량 사이 간격은 5 m로 하였다.
데이터처리
축소모형실험은 10회를 수행하였고, 실험오차를 분석하기 위하여 표준편차(Standard Deviation)를 산출하였으며, PT2위치에서의 압력측정값과 VT1 위치에서의 속도측정값에 대한 표준편차를 그림 9와 그림 10에 나타내었다. 실험평균값에 의해 표준편차의 크기를 나타내는 변동계수(Coefficient of Variation)는 주요지점에서 10% 미만의 값을 보이고 있다.
성능/효과
1. 축소모형실험은 io회를 수행하였으며, 실험 평균값에 의해 표준편차의 크기를 나타내는 변동계수는 주요 지점에서 10% 미만의 값을 보이고 있다.
2. 차량이 출발하여 가속되면서 터널내부의 압력이 상승하며, 선두부 차량이 각 압력센서 설치지점을 통과하면 해당위치의 터널압력이 급격히 하강한다. 선 두부 차량이 통과한 후 두 번째 차량이 압력센서 설치지점에 접근하면서 하강했던 압력이 다시 상승하다가 두 번째 차량이 통과하면서 급격한 압력하강이 반복된다
3. 기본형 차량모델에 대하여 PT2와 PT3에서와 같이 등속 운전구간에서 차량이 통과할 때 하강하는 압력 폭과 차량 통과 후 회복되는 압력폭을 정량적으로 분석해보면 차량 통과 후 회복되는 압력폭은 하강하는 압력 폭에 비해 45.1%~47.6%의 범위에 있다.
4. 터널 후반부에서는 차량이 가속에서 등속으로 변화하는 시각에 최고압력이 발생되며, 그 후의 등속 운전구간에서는 압력이 서서히 감소한다. 한편 차량이 감속 구간에 들어서면서부터 차량이 정차할 때까지 터널 내 압력이 서서히 증가하는 현상을 보이고 있는데 이는 운행속도가 점차 줄어드는 차량이 터널내 기류의 흐름에 저항으로 작용하면서 차량 후단의 터널 내 압력이 올라가는 것으로 해석될 수 있다
5. 차량이 출발하면서 정지해 있던 공기가 터널 종방향으로 서서히 움직이기 시작하여 가속된 후 최고풍속을 형성한 다음 서서히 감소한다. 기본형 차량의 경우 1.
6. 기본형, 전두부 사변형, 후두부 계단형의 3가지 차량 형태에 따른 피스톤 효과를 실펴보왔을 때, 차량의 운행에 의해 터널내 형성되는 압력과 속도의 크기는 "기본형>후두부 계단형>전두부 사변형"의 순서로 높아진다
7. PT2 압력센서 위치에서 각 차량형상에 따라 터널 내 생성되는 최고압력을 비교하였을 때, 전두부 사변형에 비해 후두부 계단형은 25.4%, 기본형은 55. 4% 정도 압력이 더 상승한다.
있다. 그 결과 2007년 12월 현재 총 터널수가 1, 064 개소 연장이 754 km로 조사되어 1997년 대비터널수 880 개소 연장 604 km가 증가하였고 연평균터널 수는 47.8%, 연장은 40.3%의 증가세를 보이고 있다. 이와 같은 국내 도로터널의 양적인 증가와 함께 터널의 안전성 확보와 쾌적한 이용환경에 대한 요구가 점차 증가되고 있다.
후속연구
차량의 형상을 변화시켜가며 차량운행에 따라 형성되는 터널 내 압력과 기류속도를 측정하였으며, 실험결과를 분석하였다. 실험결과는 향후 3차원 수치해석결과와의 비교/검토를 통해서 수치해석기술의 보완 및 신뢰성 확보를 위한 기초자료로서 활용될 것이다.
Udaykumar 외, 2001). 이러한 3차원 수치해석기법을 도로터널내 기류분석에 활용하기 위해서는 수치해석의 정확성에 대한 평가가 우선 수행되어야 하며, 동일한 조건에 대한 실험과 수치해석 결과의 비교 및 검토과정이 평가방안으로 사용될 수 있다.
핵심사항으로서. 향후 본 논문의 실험결과를 이용하여 경제성과 정확성면에서 해석대상인 도로 터널의 환경에 효과적으로 적용될 수 있는 3차원 수치해석기법의 개발을 수행할 예정이다.
참고문헌 (13)
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