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문제 정의
- 그러나 실험적인 접근은 실제 터널에서 평가를 하지 않는 경우에 많은 오차를 수반하기 때문에 본 연구에서는 수치해석을 통해 터널 내부에 외풍이 발생되는 조건을 모사하여 에어커튼의 성능을 확인하였다. 본 연구는 터널 내부에 대한 수치해석을 수행하는 경우 어떻게 정의를 해야 하는지를 확인하기 위해 터널의 토출구를 정압(대기압 조건)으로 고정한 상태에서 입구부를 전압 및 속도로 부여하여 그 차이를 비교하였다. 외풍 차단 효과를 확인하기 위한 외풍의 기준 속도는 2.
- 외풍에 의한 효과를 확인하기 위해 우선적으로 에어커튼을 작동시키지 않은 상황에서 외풍이 발생하는 조건을 확인해 보았다. Fig.
- 피난방향으로 연기가 전파되지 못하도록 피난방향에서 화재방향으로 기류를 불어주게 되는데 이 기류를 이기고 피난방향으로 연기가 전파되는 현상을 백레이어링 현상이라고 한다. 이러한 현상을 차단하기 위하여 실물실험을 하였다. 우선 에어커튼을 설치 제한높이(EL 4.
제안 방법
- 18과 같은 3D 형상으로 모사하여 수치해석을 수행하였다. 3D 터널 격자생성을 위한 격자수는 대략 3,000만 노드(node)이며, 해석시간이 많이 소요된다는 단점이 있어서 Fig. 19와 같이 2D 터널로 형상을 모사하여 설계인자에 대한 영향력을 분석하였다. 그리고 Fig.
- A∼E 모델 에어커튼을 제작하고 여러 가지 실험을 거쳐 최종 모델(E Type)을 선정하였으나 실제 터널에 설치하여 화재강도에 따른 에어커튼의 화연 방어능력을 재검증하기 위해 실제와 동일한 형상을 모사하여 수치해석을 수행하였다.
- Fig. 27부터 Fig. 31은 에어커튼 1대가 버틸 수 있는 화재강도별 방연능력을 검토하기 위해 1 km 터널의 중앙에 에어커튼 1대를 설치하고 에어커튼 30 m 전방에서 화재가 발생한 것을 가정하고 매현 2터널의 종단구배가 + 1.779% 일 때(Case 1)와 종단구배가 + 0% 일 때(Case 2)를 구분하여 화재강도별로 연기의 확산거동과 CO 농도분포를 분석(23)하였고 연기가 에어커튼을 통과하여 터널 입구방향으로 이동하는지를 검토하였다.
- 그 첫 째 형상은 Fig. 6-ⓐⓕ 같이 터널 양측의 아치 부분과 접하는 에어커튼은 송풍기 1 대로 상 ⋅ 하 양방향으로 공기가 분출되는 구조(Fig. 7)로 설계하였으며 Fig. 6-ⓑ/ⓒ, ⓓ/ⓔ 에어커튼과 같이 터널 중앙부에 설치되는 형상은 각각의 송풍기를 사용하여 상부와 하부로 공기가 분출되도록 한 구조이다.
- 실험적인 방법으로는 에어커튼을 작동시키는 상황에서 송풍기 및 기타 유동을 발생 시킬 수 있는 장비를 활용하여 특정 속도에 해당되는 외풍을 생성하고 이로 인한 에어커튼의 성능을 확인하는 방법이 있다. 그러나 실험적인 접근은 실제 터널에서 평가를 하지 않는 경우에 많은 오차를 수반하기 때문에 본 연구에서는 수치해석을 통해 터널 내부에 외풍이 발생되는 조건을 모사하여 에어커튼의 성능을 확인하였다. 본 연구는 터널 내부에 대한 수치해석을 수행하는 경우 어떻게 정의를 해야 하는지를 확인하기 위해 터널의 토출구를 정압(대기압 조건)으로 고정한 상태에서 입구부를 전압 및 속도로 부여하여 그 차이를 비교하였다.
- /min (40,000 cfm) 이다. 그러나 포그머신에 의한 백레이어링 저항시험만으로는 최대 저항력을 파악 할 수가 없어 매현2 터널 방연 에어커튼 모델을 기준으로 수치해석(21),(23)을 하였다.
- 또한 길이는 터널내부에서 형성되는 유동패턴에 영향을 미치지 않는 노즐 전 ⋅ 후단의 최소 길이로 30 m 와 35 m를 형상조건으로 결정하였으며, 터널형상의 대칭조건을 고려하여 Fig. 18과 같은 3D 형상으로 모사하여 수치해석을 수행하였다.
- 발열량 Q와 열기류의 임계속도 VC, 열기류의 온도의 상승 Δt 사이의 관계는, 이론적으로는 차원해석에 의해서 구한다.
- 본 연구는 양방향 토출 방연에어커튼으로서 최적의 성능으로 평가된 E 모델 (원심형 송풍기를 이용한 스파이럴 노즐형)을 대상으로 풍속 시험과 방연능력 시험, 실화재 방연시험 등을 하였고, 수치해석을 통해 성능을 검증하고 에어커튼의 핵심 요소인 노즐의 각도 및 분출속도 등을 최적화 하였다.
- 실험적인 방법으로는 에어커튼을 작동시키는 상황에서 송풍기 및 기타 유동을 발생 시킬 수 있는 장비를 활용하여 특정 속도에 해당되는 외풍을 생성하고 이로 인한 에어커튼의 성능을 확인하는 방법이 있다. 그러나 실험적인 접근은 실제 터널에서 평가를 하지 않는 경우에 많은 오차를 수반하기 때문에 본 연구에서는 수치해석을 통해 터널 내부에 외풍이 발생되는 조건을 모사하여 에어커튼의 성능을 확인하였다.
- A∼E 모델 에어커튼을 제작하고 여러 가지 실험을 거쳐 최종 모델(E Type)을 선정하였으나 실제 터널에 설치하여 화재강도에 따른 에어커튼의 화연 방어능력을 재검증하기 위해 실제와 동일한 형상을 모사하여 수치해석을 수행하였다. 에어커튼의 노즐 토출구각도와 토출유속 변화에 따른 유동특성과 터널 외부에서 발생하는 외풍에 의한 에어커튼의 차단성능을 확인하였다. 에어커튼의 노즐을 통해 분출되는 공기는 흡입구와 반대방향으로 일정한 각도(100°∼110°)를 가지면서 토출된다.
- ALAIN DROTZ 등(7)은 프랑스 파리 순환 A86 서부도로에 대해서 이론적인 전산유체역학(CFD)을 바탕으로 방연 에어커튼의 화재연기 차단 가능성을 시뮬레이션으로 검증하고 이를 실제 지하도로 터널의 화재연기 차단 및 환기를 목적으로 설치하였다. 여기서는 화재발생시 에어커튼이 작동하여 화재연기가 자연스럽게 순환이 이루어질 수 있도록 유도하였고, 대피로의 경우 에어커튼 및 가압송풍 또는 배기구를 통하여 화재발생시 화재연기가 대피로에 유입되지 않도록 설계하였다. 유용호 등(8)이 터널 화재시 연기 확산방지를 위한 국소제연설비의 성능평가연구를 실시하였다.
- 우선 에어커튼을 설치 제한높이(EL 4.88 m)에서 가동을 한 후 호흡선 높이인 GL + 1.5 m 지점에서 에어커튼에서 분출되는 공기와 만나는 지점으로부터 수평으로 약 2 m 떨어진 위치에서 Z-3000Ⅱ 포그 머신을 가동하였으며, 실험결과 Fig. 13 및 Fig. 14와 같이 2.3∼2.8 m/s로 분사되는 포그를 완벽하게 방어하였다.
- 이때 에어커튼의 형상 및 작동조건은 노즐 출구각도 20° 및 노즐 상 ⋅ 하단 토출유속은 0.1 m에서 30 m/s이며, 터널 입 ⋅ 출구는 속도-대기압(정압 0Pa) 조건으로 설정하여 해석을 수행하였다.
- 지금까지는 터널의 입구에서 출구로 흐르는 추가적인 유동이 없고 모든 유동이 방연 에어커튼의 노즐에서 토출되어 다시 흡입구로 100 % 흡입되는 조건을 대상으로 연구를 진행 하였다.
- 8 m 이상 높이에 설치되어져야 한다. 터널의 구조에 따라 다르지만 에어커튼이 설치되는 상부측(천장측)은 케이블 트레이 및 조명시설이 설치되어 있어 바람막이를 설치하는 것이 곤란하기 때문에 에어커튼은 공기가 상하로 분출되어 연기를 차단 할 수 있는 양방향 토출형식으로 설계를 하였다. 에어커튼 상부 노즐로부터 터널 천장까지의 최고높이는 1.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 터널은 단면적 73 m2의 2차선 고속도로, 직사각 아치(rectangle arched)형으로, 좌우 대칭 형상을 하고 있다. 터널 단면의 최대 폭은 대략 13 m, 분사 노즐에서 지면까지의 높이는 대략 4.
- 20과 같이 3D 터널과 2D 터널의 수치해석 결과 값 비교를 통하여 2D 터널 해석 결과의 신뢰성도 검증하였다. 수치해석을 위한 격자계는 원형의 터널 형상을 그대로 모사하기 위해 사면체(tetra) 격자계를 사용하였다. 경계조건을 부여하는데 있어 가장 쟁점이 되었던 부분은 에어커튼의 노즐 토출구와 공기 흡입구이다.
- 3 m)에서의 분출풍속, 분사각도에 따른 스트림 라인, 포그머신에 의한 자연풍 방어력 시험에서 모델 E 타입 에어커튼이 가장 우수한 결과를 얻었다. 여기에 사용된 송풍기는 원심형으로 임펠러는 저압형이고 후향 직선깃 7매를 사용하였으며, 60 m3/min x 600 Pa x 2.2 kW x 3,520 rpm -6 대(360 m3/min / 1구간)로 비속도(specific speed)가 1,265이고 2차선 1구간(250 m)을 제연 할 수 있는 에어커튼으로 최종 선정 하였다. Fig.
데이터처리
- 19와 같이 2D 터널로 형상을 모사하여 설계인자에 대한 영향력을 분석하였다. 그리고 Fig. 20과 같이 3D 터널과 2D 터널의 수치해석 결과 값 비교를 통하여 2D 터널 해석 결과의 신뢰성도 검증하였다. 수치해석을 위한 격자계는 원형의 터널 형상을 그대로 모사하기 위해 사면체(tetra) 격자계를 사용하였다.
- 터널내부 외풍의 생성조건, 즉 정압차(ΔPs)에 의해 발생되는 터널내 외풍 유속값을 찾기 위해서 Fig. 25에서 얻어진 결과 값들을 최소자승법(least squares method)으로 근사하여 Fig. 26과 같은 그래프를 도출하였다.
이론/모형
- 난류모델(turbulence model)은 standard k-ε 모델과 standard k-ω 모델의 장점을 혼합하여, 유동 박리현상을 비교적 정확하게 예측하는 SST k-ω 를 사용하였다.
- 3 m에서 평균 풍속을 측정한 그래프이다. 풍속측정에 사용된 계측기는 검교정 된 열선풍속계(TSI 9665P-USA) TA 프로브형을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 방연에어커튼 흡입구는 화원 반대방향으로 위치할 때 가 연기 재순환에 따른 가시도 확보에 효과가 있음을 확인하였으며, 송풍기는 화재발생시 250 ℃에서 60분 이상 운전이 가능한 구조로 설계하고 원심형 송풍기를 적용하였다.
- (2) 터널 설치제한높이(4.8 m 이상) 및 양방향으로 공기가 분사되는 유속을 고려할 때 방연에어커튼의 총 높이는 900 mm 이하로 설계하는 것이 좋을 것으로 판단하였다.
- (3) 매현 2터널 종단구배를 적용하여 방연에어커튼의 연기차단 성능에 대하여 전산유체역학(CFD)으로 수치해석결과, 종단구배 0 %에서는 7 MW의 화재강도에, 종단구배 1.779 %에서는 2 MW의 화재강도에 각각 화재 발생이후 10분간 연기 차단이 가능한 것을 확인하였다.(23)
- (4) 백레이어링 및 터널 내 역풍 저항에 대하여 전산유체 역학(CFD)으로 수치해석 결과 노즐각도는 20°, 에어커튼의 노즐선단 0.1 m에서 풍속 30 m/s를 기준으로 화원의 반대 방향에서의 입구 속도 조건으로 0.5 m/s를 부여한 경우 터널 내 정압차가 대략 2.11 Pa로 예측되었다.
- (5) 방연에어커튼 풍속 및 포그머신 실험결과 호흡선 높이 (GL+1.5 m)에서의 방연에어커튼 유속은 1.5 m/s 이상 측정되었으므로 5 MW 정도 규모의 화재발생시 열기류 상승에 따른 1 m/s 정도의 연기이동 속도에 충분히 차단효과를 발휘할 수 있는 것으로 확인하였다.
- (6) 매현 2터널에 설치된 E 모델(원심식 후향익 송풍기, 스파이럴 노즐형식) 방연 에어커튼이 가동될 때, 차단이 가능한 터널의 외풍 유속은 대략 0.4 m/s 정도이다. 이는 터널의 평구배 일 때를 기준으로 한 것이며 화재강도 및 터널 경사도에 따른 방어능력의 검증은 향후 추가 연구가 필요하다.
- A, B, C, D, E 까지 각각 형식이 다른 송풍기를 부착한 다섯 가지 에어커튼을 제작하여 시험한 결과 노즐선단 0.1 m에서의 풍속과 터널 바닥에서 1.5 m의 호흡선 높이(노즐선단으로부터 3.3 m)에서의 분출풍속, 분사각도에 따른 스트림 라인, 포그머신에 의한 자연풍 방어력 시험에서 모델 E 타입 에어커튼이 가장 우수한 결과를 얻었다. 여기에 사용된 송풍기는 원심형으로 임펠러는 저압형이고 후향 직선깃 7매를 사용하였으며, 60 m3/min x 600 Pa x 2.
- Case 1은 매현2터널의 종단구배인 1.779%를 적용하여 수치해석 한 결과, 화재규모 2.0 MW(Fig. 28)까지는 화재발생 10분 이후까지 연기 확산을 차단할 수 있으며, 화재강도 3 MW(Fig. 29) 이상에서는 화재연기가 에어커튼을 통과하여 터널 입구 방향으로 확산되는 것을 확인하였다.
- Case 2의 해석결과 매현2터널의 종단구배인 1.779%를 적용하여 수치해석한 결과로 화재규모 7.0 MW(Fig. 30)까지는 화재 발생 10분 이후까지 연기 확산을 차단할 수 있으며, 화재강도 10 MW(Fig. 31) 이상에서는 화재연기가 에어커튼을 통과하여 터널 입구 방향으로 확산되는 것을 확인하였다.(23)
- 수치해석 결과를 비교해 보면 에어커튼이 작동하고 있는 상태에서 터널 입구유속을 강제적으로 0.1 m/s로 부여한 경우 정압차가 1.58Pa로서, 터널 입 ⋅ 출구 압력차에 의해 발생하는 외풍유속 2 m/s에 해당되는 0.74Pa 보다 큰 값으로 외풍 유속 2 m/s에 대한 차단효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 4 m/s 정도이다. 이는 터널의 평구배 일 때를 기준으로 한 것이며 화재강도 및 터널 경사도에 따른 방어능력의 검증은 향후 추가 연구가 필요하다.
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