[논문]EMP 방호시설의 덕트 및 배관 최적 설계 방안

방승기; 김재훈

doi:10.17664/ksgee.2014.10.4.015

EMP 방호시설의 덕트 및 배관 최적 설계 방안
Design Optimization for Air Ducts and Fluid Pipes at Electromagnetic Pulse(EMP) Shield in Highly Secured Facilities 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.10 no.4, 2014년, pp.15 - 24

Abstract ▼ AI-Helper

This study conducted a computational fluid dynamics(CFD) analysis to find an appropriate diameter or sectional area of air ducts and fluid pipes which have an electromagnetic pulse(EMP) shied to protect indoor electronic devices in special buildings like military fortifications. The result shows that the optimized outdoor air intake size can be defined with either the ratio of the maximum air velocity in the supply duct to the air intake size, or the shape ratio of indoor supply diffuser to the outdoor air intake. In the case of water channel, the fluid velocity at EMP shield with the identical size of the pipe, decreases by 25% in average due to the resistance of the shield. The enlargement of diameter at the shield, 2 step, improves the fluid flow. It illustrated that the diameter of downstream pipe size is 1step larger than the upstream for providing the design flow rate. The shield increases friction and resistance, in the case of oil pipe, so the average flow velocity at the middle of the shield increase by 50% in average. In consideration of the fluid viscosity, the oil pipe should be enlarged 4 or 5 step from the typical design configuration. Therefore, the fluid channel size for air, water, and oil, should be reconsidered by the engineering approach when EMP shield is placed in the middle of channel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 EMP 방호를 위한 honeycomb과 도파관이 설치된 덕트, 급수관 및 유류관을 대상으로 입출구 유속, honeycomb 및 도파관의 입출구와 길이방향 중앙부분의 유속을 해석한다. 해석결과를 이용하여 EMP 방호시설에서 외기도입을 위한 덕트의 크기를 결정하는 방안과 급수관 및 유류관에 도파관을 설치되는 부분의 최적 관경을 제시하는 것을 목표로 한다.
본 논문에서는 EMP honeycomb 및 도파관이 설치된 덕트 및 배관의 최적 크기와 관경을 결정하기 위해서 CFD를 이용하여 해석을 실시하였다.
따라서 본 논문에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 EMP 방호를 위한 honeycomb과 도파관이 설치된 덕트, 급수관 및 유류관을 대상으로 입출구 유속, honeycomb 및 도파관의 입출구와 길이방향 중앙부분의 유속을 해석한다. 해석결과를 이용하여 EMP 방호시설에서 외기도입을 위한 덕트의 크기를 결정하는 방안과 급수관 및 유류관에 도파관을 설치되는 부분의 최적 관경을 제시하는 것을 목표로 한다.

가설 설정

5m/s이다.⁸⁾ 따라서 본 연구에서는 유속 기준을 외기도입구는 4.5m/s 이하, 허니컴에서의 유속은 팬흡입구에서의 최대 풍속인 5.5m/s 이하로 설정하였다.

제안 방법

(Table 3) 이때 해석대상 덕트의 크기는 800×300㎜와 500×300㎜를 기준으로 하고 덕트의 앞부분에 설치하는 외기도입구와 EMP 그릴의 크기를 변화시켰다.
CFD 해석은 외기를 도입하기 위한 덕트와 방호시설내부와 외부를 경계 짓는 차폐판을 관통하는 급수관 및 유류관에 대해서 해석을 실시하였다. Table 1은 외기도입을 위한 덕트의 해석 case를 나타낸 것이며, Table 2에는 덕트에 설치되는 허니컴 그릴의 격자크기 및 길이를 결정한 내용을 나타내었다.
내부 재실자의 생활을 위한 급수관, 유류관이 실내와 실외를 분리하는 경계인 금속 차폐판을 관통하는 경우 배관의 직경은 150, 250mm를 기준으로 하여 배관내에 흐르는 유체를 물, 벙커C유에 대해서 CFD해석을 실시하였다. 각각의 경우 외부배관의 관경은 150, 250mm, 도파관의 관경은 30, 50mm이며 입구의 유속을 1.0m/s와 2.0m/s를 경계조건으로 하였다. 이때 도파관의 길이는 내부배관이 30mm인 경우 150mm, 50mm인 경우는 250mm로 하여 해석을 실시하였다.
내부 재실자의 생활을 위한 급수관, 유류관이 실내와 실외를 분리하는 경계인 금속 차폐판을 관통하는 경우 배관의 직경은 150, 250mm를 기준으로 하여 배관내에 흐르는 유체를 물, 벙커C유에 대해서 CFD해석을 실시하였다. 각각의 경우 외부배관의 관경은 150, 250mm, 도파관의 관경은 30, 50mm이며 입구의 유속을 1.
3.1 외기도입을 위한 덕트

덕트출구의 크기에 따른 외기도입구의 크기를 결정하기 위하여 CFD 해석을 실시하였으며, 해석 대상은 각형 덕트에 대해서 EMP 방호용 그릴을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우로 하였다. 분석항목은 덕트내의 기류 및 압력 변화이며 각형 덕트의 앞부분에 EMP 그릴을 설치하였다.
해석은 외기도입 덕트, 급수관 및 장비운전을 위한 유류관을 대상으로 하였으며 입출구의 풍속 및 유속, honeycomb 및 도파관의 입출구와 중심 부분에서의 풍속 및 유속을 CFD를 이용해서 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
허니컴이 설치된 외기도입구의 크기를 결정하기 위해서 각 Case에서 얻은 해석결과를 이용하여 팬 흡입구의 유속, 외기도입구와 EMP 허니컴 중앙부의 유속분포의 상관관계를 계산하였다.

대상 데이터

덕트출구의 크기에 따른 외기도입구의 크기를 결정하기 위하여 CFD 해석을 실시하였으며, 해석 대상은 각형 덕트에 대해서 EMP 방호용 그릴을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우로 하였다. 분석항목은 덕트내의 기류 및 압력 변화이며 각형 덕트의 앞부분에 EMP 그릴을 설치하였다.(Table 3) 이때 해석대상 덕트의 크기는 800×300㎜와 500×300㎜를 기준으로 하고 덕트의 앞부분에 설치하는 외기도입구와 EMP 그릴의 크기를 변화시켰다.
0m/s를 경계조건으로 하였다. 이때 도파관의 길이는 내부배관이 30mm인 경우 150mm, 50mm인 경우는 250mm로 하여 해석을 실시하였다. 시뮬레이션을 위한 배관의 크기 및 mesh 형상을 Table 4에 나타내었다.
해석은 유체의 속도와 압력을 대상으로 하였으며 해석에 사용한 압력은 전압(total pressure)이며 Fig. 4와 식 (1)-(3)과 같이 정의할 수 있다.

데이터처리

계산방법은 외기도입구와 덕트 출구의 크기비율에 따른 최대 및 평균속도를 팬 흡입구의 속도를 기준으로 무차원화 한뒤 회귀분석법을 통해 구하였다. Fig.

성능/효과

(1) EMP 방호를 위한 honeycomb이 설치된 덕트의 최적 크기는 외기도입구와 덕트 출구의 크기비율에 따른 최대 및 평균속도와 팬 흡입구의 속도를 기준으로 한 값을 이용한 그래프 계산이 가능하였다.
(2) 급수관은 EMP 도파관을 설치하면 유효단면적이 감소하기 때문에 도파관의 중심부에서는 25%의 평균유속감소가 일어나며, EMP 도파관이 설치된 부분의 배관을 2단계 확대하면 평균유속은 20-25% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 EMP 도파관을 설치할 경우에는 급수배관의 관경을 입구 관경에 비해서 1단계 확대하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
(3) 각종 장비의 운전을 위한 유류관은 50mm EMP 도파관이 설치된 250mm 배관의 경우에는 KS의 규격에 표기된 관경에 따라 1단계 확대하고, 도파관이 30mm 이면 4-5단계 확대하는 것이 필요할 것으로 판단된다. 추후의 후속된 연구는 배수 및 오수배관에 대한 EMP 도파관 설치에 따른 유속 및 압력검토 및 급수 및 유류배관에 대한 압력검토가 필요할 것으로 생각된다.
1) 방호시설은 내부 인원의 활동 및 각종 장비의 운전을 위한 덕트와 각종 배관이 방호도체를 관통하게 된다. 대표적인 것은 환기를 위한 덕트와 급배수 위생배관 및 장비의 운용을 위한 연료 공급 배관이다.
01m/s로 나타났다. 50mm의 관경의 도파관을 사용한 경우 배관의 중심부에 위치한 도파관 중심부의 평균 유속은 입구의 속도가 1, 2m/s인 경우에는 평균 1.50, 3.01m/s 로 2배의 속도를 보였으며, 30mm 도파관을 사용한 경우에는 1.16, 2.91m/s의 유속을 보였다.
도파관이 설치된 부분의 배관의 직경을 150mm, 250mm에서 350mm로 확대한 경우에는 평균유속은 입구유속에 비해서 25% 정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 입구유속과 동일한 유속을 도파관의 중심부에서 사용할 경우에는 배관의 확대관경은 300mm로 하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
따라서 배관의 입구에 비해서 도파관의 중간부분에서는 20-25% 정도의 유속감소가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
또한 EMP 도파관이 설치된 부분의 관경을 150, 250mm에서 350mm로 확대한 경우에는 150mm 배관에서는 평균 25%, 250mm 배관에서는 20%의 평균유속 감소가 발생하는 것을 알 수 있으며 최대 유속의 경우에는 각각의 경우 50% 정도 증가 하는 것으로 나타났다. 따라서 평균유속을 입구속 도와 동일하게 사용할 경우에는 30mm 도파관이 설치된 150mm의 배관은 200-250mm로 확대하고, 50mm 도파관을 사용한 250mm의 배관은 300mm 로 확대하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
8m/s의 속도분포를 보이고 있다. 또한 EMP 그릴의 중앙부의 경우는 격자에 가까운 부분의 풍속은 매우 낮은 값을 보이며 각 격자의 중앙부에서는 5.45m/s의 값을 보이는 것으로 나타났다.
56m/s를 보이고 있다. 또한 EMP 그릴이 설치되는 외기 도입구 가까운 곳에서는 5.8m/s 정도의 풍속을 보이는 것으로 나타났다.
벙커C유를 배관의 유체로 가정할 경우에는 배관관경의 확대를 하지 않고 EMP 도파관을 사용하면, 평균 유속은 50% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 EMP 도파관이 설치된 부분의 관경을 150, 250mm에서 350mm로 확대한 경우에는 150mm 배관에서는 평균 25%, 250mm 배관에서는 20%의 평균유속 감소가 발생하는 것을 알 수 있으며 최대 유속의 경우에는 각각의 경우 50% 정도 증가 하는 것으로 나타났다. 따라서 평균유속을 입구속 도와 동일하게 사용할 경우에는 30mm 도파관이 설치된 150mm의 배관은 200-250mm로 확대하고, 50mm 도파관을 사용한 250mm의 배관은 300mm 로 확대하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
따라서 honeycomb 부분에서는 공기 유동음이 발생할 것으로 판단된다. 또한 hnoeycomb을 통과 하는 부분에서는 최대 8.06m/s의 유속을 보여 공기의 흐름이 비교적 빠른 것으로 나타났다. Case 6과 풍량이 동일하고, honeycomb 부분의 덕트의 크기를 500x360㎜로 변경한 Case 7은 외기 도입구는 4.
또한 외기입구부분과 출구부분에서의 유속차이는 최대 0.106m/s로 나타났으며 최소값은 경계조건 입력부분인 덕트의 출구부분이 입구보다 0.06m/s 빠른 것을 알 수 있었다. 이는 덕트의 출구부분의 경계조건을 5.
벙커C유를 배관의 유체로 가정할 경우에는 배관관경의 확대를 하지 않고 EMP 도파관을 사용하면, 평균 유속은 50% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 EMP 도파관이 설치된 부분의 관경을 150, 250mm에서 350mm로 확대한 경우에는 150mm 배관에서는 평균 25%, 250mm 배관에서는 20%의 평균유속 감소가 발생하는 것을 알 수 있으며 최대 유속의 경우에는 각각의 경우 50% 정도 증가 하는 것으로 나타났다.
시뮬레이션 해석결과 전반적으로 외기도입구의 풍속은 경계조건과 유사한 5.5m/s 이지만 honeycomb 의 중앙부분에서는 7.7m/s 정도의 풍속을 보였다. 따라서 honeycomb 부분에서는 공기 유동음이 발생할 것으로 판단된다.
시뮬레이션결과 덕트에 EMP honeycomb을 설치하지 않은 Case 1의 경우, 외기도입구의 풍속은 최대 5.8m/s, 최소 5.727m/s이며 평균은 5.787m/s로 나타났으며 덕트 출구에서는 강제배기 조건이므로 최대, 최소 및 평균이 경계조건과 동일한 값인 5.787m/s를 보이고 있다.
건축물에 대한 연구로는 김석봉(2013) 등의 구조물의 형태 및 재료에 관한 연구⁴⁾가 있으며 차폐벽을 관통하는 덕트와 배관에 대한 연구로 윤상호(2013)등은 급수, 급유가 가능한 도파관의 직경 및 유전체의 종류에 따른 EMP 방호성능을 확인하였다. 실험결과 도파관을 이용해서 군지휘시설 내부로 공급되는 급수 및 급유가 가능하고 EMP를 적절하게 차단한다는 것을 연구결과로 제시하였다.
Table 9는 급수관이 150, 250mm인 case와 급수관의 중간부에 30,50mm의 EMP 그릴을 설치한 case 및 EMP 그릴이 설치된 배관의 중간부분을 350mm로 확대한 경우의 최대, 최속 및 평균 유속을 나타낸 것이다. 표에서 볼 수 있는 바와 같이 배관의 중간부에 EMP 도파관이 설치된 경우 그 중심부에서의 최대유속은 입구유속의 1.7배, 최소 유속은 0.6배를 보이고 있으며, 평균 유속은 입구 유속의 1.5배 정도인 것으로 나타났다. 도파관이 설치되지 않은 경우에는 입구유속이 1.

후속연구

(3) 각종 장비의 운전을 위한 유류관은 50mm EMP 도파관이 설치된 250mm 배관의 경우에는 KS의 규격에 표기된 관경에 따라 1단계 확대하고, 도파관이 30mm 이면 4-5단계 확대하는 것이 필요할 것으로 판단된다. 추후의 후속된 연구는 배수 및 오수배관에 대한 EMP 도파관 설치에 따른 유속 및 압력검토 및 급수 및 유류배관에 대한 압력검토가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방호시설에서 내부 인원의 활동 및 각종 장비의 운전을 위한 덕트와 배관 중 대표적인 것은?	1) 방호시설은 내부 인원의 활동 및 각종 장비의 운전을 위한 덕트와 각종 배관이 방호도체를 관통하게 된다. 대표적인 것은 환기를 위한 덕트와 급배수 위생배관 및 장비의 운용을 위한 연료 공급 배관이다. 차폐판을 관통하는 덕트와 각종 배관을 통해 EMP가 시설내부로 유입되게 되면 시설내부에 설치된 모든 전자통신기기 및 전자부품이 사용된 각종 제어기기는 기능을 상실하게 된다.
	EMP란?	EMP(전자기 펄스)란 Electromagnetic Pulse의 약자로 핵폭발에 의해 발생되는 다량의 전자기파를 의미하며 페러데이 케이지(Faraday Cage) 원리를 이용하여 방호할 수 있다.1) 방호시설은 내부 인원의 활동 및 각종 장비의 운전을 위한 덕트와 각종 배관이 방호도체를 관통하게 된다.
	EMP는 어떤 원리를 이용하여 방호하는가?	EMP(전자기 펄스)란 Electromagnetic Pulse의 약자로 핵폭발에 의해 발생되는 다량의 전자기파를 의미하며 페러데이 케이지(Faraday Cage) 원리를 이용하여 방호할 수 있다.1) 방호시설은 내부 인원의 활동 및 각종 장비의 운전을 위한 덕트와 각종 배관이 방호도체를 관통하게 된다.

참고문헌 (13)

김석봉, 백상호, 황한식, 이서훈, 방승기, 2011, EMP 허니컴의 영향을 고려한 덕트의 외기도 입구 크기 결정에 관한 연구, 화랑대논문집 제4집 제2권, p.144.
김석봉, 윤상호, 민경찬, 안성진, 박용준, 2013, Electromagnetic Pulse Shielding Effectiveness and Construction Availability of Case-In-Place Sgtructures Using Corrugated Metal-Plates, 한국건축시공학회 논문집 , 제13권, 제1호, pp.84-89.
최재훈 외 4인, 전파환경 보호를 위한 전자기적합성 대책기술 개발에 관한 연구, 한양대학교 전파연구소, 2004.12.
이문보, 노정선, 1993, 건축물에서의 전자파차폐를 위한 연구, 대한건축학회논문집 제9권 8호. pp.193-199.
윤상호 손기영, 김석봉, 박영준, 2013, 지휘소작전지속성 보장을 위한 도파관의 전자기파차폐성능 향상방안, 한국건축시공학회논문집 제 13권 제 6호. pp.579-584.

원문보기 상세보기
정학모, 강상혁, 덕트의 설계, 1999, 공기조화냉동공학 제 28권 2호, pp.77-175.
서승직 ,2011, 건축설비계획, 일진사, p.382.
KSD 3507 일반배관용 탄소강관.
KSD 3631 연료가스배관용 탄소강관.
MIL-STD-188.125-1, 2005, High Altitude Electromagnetic Pulse(HEMP_ Protection for Ground-Based C41 Facilities Performaing Critical, Time-Urgent missions Part 1 Fixed Facilities.
Abid Abdeliah, Jellal Jamal Eddine, 2012, Contribution to optimizing the performances of Anaerobic reactor, European scientific journal December, vol 3.
MSDS 362-100, Properties of Crude Oils and Oil Products Bunker C Light Fuel Oil.
ASTM D396Standard Specification for Fuel Oils.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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제안 방법

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