[논문]지하역사 승강장 및 대합실 평상시 비상시 급·배기 환기 Large Eddy Simulation

장용준; 류지민; 박덕신

doi:10.6112/kscfe.2013.18.3.072

지하역사 승강장 및 대합실 평상시 비상시 급·배기 환기 Large Eddy Simulation
LARGE EDDY SIMULATION OF ORDINARY & EMERGENCY VENTILATION FLOW IN UNDERGROUND SUBWAY STATION 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.18 no.3 = no.62, 2013년, pp.72 - 78

장용준 (한국철도기술연구원 에코시스템연구실) , 류지민 (한국철도기술연구원 에코시스템연구실) , 박덕신 (한국철도기술연구원 에코시스템연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The turbulent flow behavior of air supply and exhaustion in the Shin-gum-ho subway station is analyzed for ordinary and emergency state. The depth of Shin-gum-ho station is 43.6m which consists of the island-type platform(8th floor in underground) and a two-story lobby (first & second floor in underground). An emergency stairway connects between the platform and the lobby. Ventilation operation mode for ordinary state is set up as a combination of air supply and exhaustion in the lobby and platform, while for emergency state it is set up as a full air supply in the lobby and a full exhaustion in the platform. The entire station is covered for simulation. The ventilation diffusers are modeled as 95 square shapes of $0.6m{\times}0.6m$ in the lobby and as 222 square shapes of $0.6m{\times}0.6m$ and 4 rectangular shapes of $1.2m{\times}0.8m$ in the platform. The total of 7.5million grids are generated and whole domain is divided to 22 blocks for MPI efficiency of calculation. Large eddy simulation(LES) is applied to solve the momentum equation and Smagorinsky model($C_s$=0.2) is used as SGS(subgrid scale) model. The time-averaged velocity fields are compared to experimental data and show a good agreement with it.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(화재 연기가 계단으로 올라가는지 여부는 화재의 크기와 관련이 있으며, 이에 대한 화재유동 해석이 별도로 필요함) 외부 계단, 중간층 및 연결 계단 등 중요 위치에서 유속의 크기를 실험 결과와 비교한 결과 3~20% 이내의 오차를 가지고 실험 결과에 근접한 것으로 조사되었다. 본 연구는 역사 화재시설 계획시 화재시뮬레이션 연구가 어느 정도 신뢰도를 가지고 있는지를 정량적으로 판단할 수 있는 근거를 제공할 수 있으리라고 판단된다.
본 연구에서는 기존의 대심도 도시철도 지하역사에서 평상시 및 비상시(화재시)의 환기 및 공조기 급/배기 유동을 수치 적으로 해석하였다. 대심도 역사로는 서울 5호선 신금호 역사를 모델화 하였으며, 평상시 및 비상시 환기 및 제연 모드에 따른 역사의 유동 형태를 FDS 코드의 LES 기법 및 MPI를 이용한 대용량 병렬 계산을 이용하여 해석하였다.

제안 방법

벽 근처의 층류 저층(viscous sublayer) 및 log-law 지역에서 Werner Wengle wall law[18,19]을 적용하여 유동 변수를 계산하였다. 기타 경계조건으로는 대합실 1층에서 외부로 나가는 3개의 출구(Fig. 1의 ①,②,③) 방향으로는 압력경계조건(open)을 적용 하였다. 승강장에서 스크린 도어(PSD)는 평상시 및 비상시 실험 조건과 동일하게 닫혀 있는 조건으로 시뮬레이션을 수행 하였다.
본 연구에서는 기존의 대심도 도시철도 지하역사에서 평상시 및 비상시(화재시)의 환기 및 공조기 급/배기 유동을 수치 적으로 해석하였다. 대심도 역사로는 서울 5호선 신금호 역사를 모델화 하였으며, 평상시 및 비상시 환기 및 제연 모드에 따른 역사의 유동 형태를 FDS 코드의 LES 기법 및 MPI를 이용한 대용량 병렬 계산을 이용하여 해석하였다. 해석 결과는 Jang et al.
본 연구에서는 기존의 대심도 도시철도 지하역사에서 평상시 및 비상시(화재시)의 환기 및 공조기 급/배기 유동을 수치 적으로 해석하고 실험 결과와 비교 분석하였다. 대심도 역사로서 기존의 역사중 가능한한 최대 심도를 가지는 역사를 선정하도록 하였다. 신금호 역사는 5호선 역사 중 43.
[15] 은 2003년 대구 지하철 화재 상황을 모델하여 화재 및 승객 피난 시뮬레이션을 수행하였으며 당시의 상황과 비교 검토하였다. 본 연구에서는 기존의 대심도 도시철도 지하역사에서 평상시 및 비상시(화재시)의 환기 및 공조기 급/배기 유동을 수치 적으로 해석하고 실험 결과와 비교 분석하였다. 대심도 역사로서 기존의 역사중 가능한한 최대 심도를 가지는 역사를 선정하도록 하였다.
1의 ①,②,③) 방향으로는 압력경계조건(open)을 적용 하였다. 승강장에서 스크린 도어(PSD)는 평상시 및 비상시 실험 조건과 동일하게 닫혀 있는 조건으로 시뮬레이션을 수행 하였다. 공조기 조건은 Table 2에서처럼 평상시 및 비상시에 Jang et al.

대상 데이터

본 연구의 해석 대상인 신금호 역사는 Fig. 1 및 2와 같이 지하 8층으로 이루어져 있으며, 지하 1,2층의 대합실과 지하 8층의 승강장으로 연결되는 통로가 한 개가 존재한다. 평상시 (Fig.
[1]에 의한 실험 결과와 동일한 조건에서 수행된 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 비교 장소로는 Fig. 1에서처럼 역사 전체 대류의 주 유동 방향의 중요 지점을 선정하였다. ①,②,③는 외부 계단출입구, ④는 승강장으로 내려가는 첫 번째 계단, ⑤는 중간층(지하 5층), ⑥은 승강장으로 내려가는 마지막 계단 이다.
승강장은 총 222개의 정사각형(0.6 m×0.6 m) 환기구와 4개의 직사각형(1.2 m×0.8 m) 대배기구로 모델되었다(Fig. 3 참조).
신금호 역사 전체 8층의 환기 유동을 해석하기 위하여 Fig. 5와 같이 역사를 총 22개의 다중 블록으로 분활하여 각각의 블록이 LINUX기반의 MPI를 통하여 데이터를 주고받도록 하였다. 총 사용된 격자수는 7,500,000개이며, 10개의 dual core CPU를 이용하여 병렬 계산을 수행하였다.
5와 같이 역사를 총 22개의 다중 블록으로 분활하여 각각의 블록이 LINUX기반의 MPI를 통하여 데이터를 주고받도록 하였다. 총 사용된 격자수는 7,500,000개이며, 10개의 dual core CPU를 이용하여 병렬 계산을 수행하였다. 계산 시간은 시간 평균 속도의 residual < 10^-5 (800sec)까지 계산하였다.

데이터처리

[13] 은 Fletcher et al.[12]이 실험한 동일한 환경에서 LES 기법을 이용하여 계산하여 실험 결과와 비교하여 분석하였다. Jang et al.
해석 결과는 Jang et al.[1]의 실험 결과와 비교하여 분석하였다.

이론/모형

평상시 및 비상시 환기 및 제연 모드에 따라 대합실과 승강장의 천정에 설치된 각각의 환기구에 적용된 급/배기 용량으로 실험 값[1]을 입력하였으며, 실험 조건과 동일하도록 본선 터널 제연 팬은 가동시키지 않았다. FDS (Fire Dynamics Simulator by NIST, USA)의 LES 기법을 이용하여 수치해석을 하였으며, MPI 기능을 이용하여 병렬 계산을 수행하였다.
LES 기법과 함께 벽면 근처(near-wall)에서의 유동을 해석하기 위하여 본 연구에서는 벽 법칙을 적용하였다. 벽 근처의 층류 저층(viscous sublayer) 및 log-law 지역에서 Werner Wengle wall law[18,19]을 적용하여 유동 변수를 계산하였다.
LES 기법과 함께 벽면 근처(near-wall)에서의 유동을 해석하기 위하여 본 연구에서는 벽 법칙을 적용하였다. 벽 근처의 층류 저층(viscous sublayer) 및 log-law 지역에서 Werner Wengle wall law[18,19]을 적용하여 유동 변수를 계산하였다. 기타 경계조건으로는 대합실 1층에서 외부로 나가는 3개의 출구(Fig.
신금호 역사 전체를 대상으로 유동해석을 수행하기 위하여 FDS 코드의 LES 기법을 사용하였으며, Navier-Stokes 방정식을 필터링(filtering)하여 운동량 방정식을 아래와 같이 얻었다[16,17].

성능/효과

따라서 화재 발생시 계단으로 피난하는 승객들에게는 계단으로부터 외부의 신선한 공기를 공급받게 된다. (화재 연기가 계단으로 올라가는지 여부는 화재의 크기와 관련이 있으며, 이에 대한 화재유동 해석이 별도로 필요함) 외부 계단, 중간층 및 연결 계단 등 중요 위치에서 유속의 크기를 실험 결과와 비교한 결과 3~20% 이내의 오차를 가지고 실험 결과에 근접한 것으로 조사되었다. 본 연구는 역사 화재시설 계획시 화재시뮬레이션 연구가 어느 정도 신뢰도를 가지고 있는지를 정량적으로 판단할 수 있는 근거를 제공할 수 있으리라고 판단된다.
속도 추출 지점은 각 장소의 중간 지역에서 벽으로부터 가장 먼 지점이다. 평상시(case 1) 외부 계단출입구에서는 속도 계산 값이 실험값에 비하여 10~16% 낮거나 높게 예측되었으며 ④,⑥의 계단에서는 18~20% 정도 높게 예측되었다. 중간층 ⑤에서는 실험 결과와 거의 일치하는 값을 보이고 있다.
특히 ⑤에서 유동 통과 단면적이 줄어들어 유속이 증가하는데 이러한 경향이 계산 결과에 잘 반영이 되어 있다. 비상시(case 2) 외부 계단출입구의①,③에서는 실험 결과와 3~4%의 차이를 보이지만 ②에서는 20%의 차이를 보이고 있다. 이는 ②지역의 외부 출입구로 유입되는 풍압의 변동이 본 계산에서는 미반영이 되었기 때문이라고 추측된다.
위의 각각의 지점에서 실험 결과와 계산 값이 차이가 있는 것은 PSD와 벽과의 틈새로 빠져나가는 유량을 해석상에서 고려하는 것이 쉽지 않기 때문이고 또한 외부 출입구 밖의 풍압 및 풍속의 변동이 계산에 포함되지 않은 까닭으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 지하역사 8층 전체의 공조기의 급/배기를 포함한 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 최대 20% 미만의 오차를 보이고 있는 것은 도시 철도 역사 공조기 설계 및 풍량 예측에 있어서 FDS를 이용한 LES 시뮬레이션 기법이 적절한 방법이 될 수 있다는 것을 보이고 있는 것으로 판단된다. 따라서 역사 화재 안전 대책 연구시 역사 화재 실험이 불가능한 경우에 화재시뮬레이션 연구가 어느 정도 신뢰도를 가지고 있는지를 정량적으로 판단할 수 있는 근거가 마련되었다고 판단된다.
[11]은 터널에서의 역기류 화재유동을 LES(대와류 모사기법) 및 RANS 기법을 이용하여 계산하여 비교하였다. 실험 결과와의 비교를 통하여 LES 기법이 역기류의 행동을 예측하는데 뛰어나다는 사실을 보였다. Fletcher et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도시설안전기준에 관한 규칙이 제정된 이유는?	2003년 대구 지하철 방화 사건이후로 철도 이용 승객들의 안전도 향상을 위하여 “철도시설안전기준에 관한 규칙”(건설교통부령 제476호, 2005년 10월 27일)이 제정 고시되고, 이에 대한 세부 기준으로 “철도시설 안전 세부기준”(건설교통부고시 제2006-395호)가 고시되었지만, 더 많은 대중이 집중되고 있는 도시철도에 대한 화재안전 세부기준이 마련되지 않고 있으므로 이에 대한 대책이 절실하다.
	철도시설안전기준에 관한 규칙에 대한 세부 기준으로 무엇이 고시되었는가?	2003년 대구 지하철 방화 사건이후로 철도 이용 승객들의 안전도 향상을 위하여 “철도시설안전기준에 관한 규칙”(건설교통부령 제476호, 2005년 10월 27일)이 제정 고시되고, 이에 대한 세부 기준으로 “철도시설 안전 세부기준”(건설교통부고시 제2006-395호)가 고시되었지만, 더 많은 대중이 집중되고 있는 도시철도에 대한 화재안전 세부기준이 마련되지 않고 있으므로 이에 대한 대책이 절실하다.
	지하역사에서 화재시 화재 연기 유동에 관한 연구로는 무엇이 있는가?	지하역사에서 화재시 화재 연기 유동에 관한 연구도 다양 하게 수행되어왔다. Son and Chang[6]은 지하철 터널에서 화재가 발생한 경우 역사와 환기실의 위치에 따른 화재 특성을 k-ε난류모델을 사용하여 수치해석적으로 분석하였다. Hwang and Edwards[7]는 화재로 인한 뜨거운 성층 기류 및 환기 유동의 특성을 연구하였으며, 터널에서의 역기류(back-layer) 현상에 대하여 조사하였다. Hwang and Wargo[8]는 터널에서의 뜨거운 성층 기류에 대하여 실험적으로 조사하였다. Woodburn and Britter[9,10]는 터널에서 화재로 인한 유동 현상에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. Jang et al.[11]은 터널에서의 역기류 화재유동을 LES(대와류 모사기법) 및 RANS 기법을 이용하여 계산하여 비교하였다. 실험 결과와의 비교를 통하여 LES 기법이 역기류의 행동을 예측하는데 뛰어나다는 사실을 보였다. Fletcher et al.[12]은 터널 화재 유동을 실험적으로 조사하였으며, 동일한 환경에서 부력항을 고려한 k-ε 난류모델을 이용하여 수치적 결과와 비교하였다. Gao et al.[13] 은 Fletcher et al.[12]이 실험한 동일한 환경에서 LES 기법을 이용하여 계산하여 실험 결과와 비교하여 분석하였다. Jang et al.[14]은 대심도 역사에서 화재시 뜨거운 열기류 해석 및 제연 설비 가동에 따른 연기 분포를 조사하였다. Jang et al.[15] 은 2003년 대구 지하철 화재 상황을 모델하여 화재 및 승객 피난 시뮬레이션을 수행하였으며 당시의 상황과 비교 검토하였다. 본 연구에서는 기존의 대심도 도시철도 지하역사에서 평상시 및 비상시(화재시)의 환기 및 공조기 급/배기 유동을 수치 적으로 해석하고 실험 결과와 비교 분석하였다. 대심도 역사로서 기존의 역사중 가능한한 최대 심도를 가지는 역사를 선정하도록 하였다.

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표제어: PCR

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