네트워크형 복층 도로터널 환기에서의 충격 손실 평가를 위한 수치해석적 연구 Numerical Analysis on the Estimation of Shock Loss for the Ventilation of Network-type Double-deck Road Tunnel원문보기
과거 도로터널 환기에 있어서 충격 손실은 설계에 반영되지 않았지만, 터널 내 네트워크형 구조로 인해 분기 합류부가 존재하는 복층 도로터널에서는 충격 손실에 의한 압력 손실이 크게 발생할 것이다. 이에 본 연구에서는 네트워크형 구조를 가지는 복층 도로터널 최적 환기 설계를 위하여 분기 합류 지점에서 발생하는 충격 손실에 대한 3D 전산유체역학(CFD)수치해석 연구를 수행한다. 이를 위해 복층 도로터널 표준단면을 적용한 실제 스케일 모델을 활용하여 전산 유체 역학을 수행하였고 다양한 각도와 차도폭에 대한 충격 손실 계수를 도출하여 기존의 설계 값과 비교 분석하였다. 연구 결과, 분기 구간에서는 30도의 분류 각도를 가진 모델의 충격 손실 계수가 높게 측정되었고, 합류 구간에서는 2차선으로 설계된 모델의 충격 손실 계수가 낮게 측정됨을 확인할 수 있었다. 따라서 분기 합류 각도와 차도폭이 충격 손실 산정에 있어서 중요한 설계 요소가 될 수 있으므로 환기기 용량 산정에 있어서 정확한 설계 인자를 제시할 것으로 판단된다. 본 연구는 3D 전산유체역학(CFD)를 활용하여 확폭 교차 유 무에 따른 분기 합류 지점에서의 충격 손실 계수를 도출하고, ASHRAE 설계 값과 결과를 비교 분석하였다. 확폭 구간이 반영되지 않은 모델은 ASHRAE 값에 비해 최대 3배의 충격 손실 값을 확인하였고, 확폭 구간이 반영된 모델은 최대 2배의 값을 확인할 수 있었다.
과거 도로터널 환기에 있어서 충격 손실은 설계에 반영되지 않았지만, 터널 내 네트워크형 구조로 인해 분기 합류부가 존재하는 복층 도로터널에서는 충격 손실에 의한 압력 손실이 크게 발생할 것이다. 이에 본 연구에서는 네트워크형 구조를 가지는 복층 도로터널 최적 환기 설계를 위하여 분기 합류 지점에서 발생하는 충격 손실에 대한 3D 전산유체역학(CFD) 수치해석 연구를 수행한다. 이를 위해 복층 도로터널 표준단면을 적용한 실제 스케일 모델을 활용하여 전산 유체 역학을 수행하였고 다양한 각도와 차도폭에 대한 충격 손실 계수를 도출하여 기존의 설계 값과 비교 분석하였다. 연구 결과, 분기 구간에서는 30도의 분류 각도를 가진 모델의 충격 손실 계수가 높게 측정되었고, 합류 구간에서는 2차선으로 설계된 모델의 충격 손실 계수가 낮게 측정됨을 확인할 수 있었다. 따라서 분기 합류 각도와 차도폭이 충격 손실 산정에 있어서 중요한 설계 요소가 될 수 있으므로 환기기 용량 산정에 있어서 정확한 설계 인자를 제시할 것으로 판단된다. 본 연구는 3D 전산유체역학(CFD)를 활용하여 확폭 교차 유 무에 따른 분기 합류 지점에서의 충격 손실 계수를 도출하고, ASHRAE 설계 값과 결과를 비교 분석하였다. 확폭 구간이 반영되지 않은 모델은 ASHRAE 값에 비해 최대 3배의 충격 손실 값을 확인하였고, 확폭 구간이 반영된 모델은 최대 2배의 값을 확인할 수 있었다.
Shock loss was not applied for the tunnel ventilation of road tunnel in the past. However, pressure losses due to the shock loss can be significant in network double-deck road tunnel in which combining and separating road structures exist. For the optimum ventilation design of network double-deck ro...
Shock loss was not applied for the tunnel ventilation of road tunnel in the past. However, pressure losses due to the shock loss can be significant in network double-deck road tunnel in which combining and separating road structures exist. For the optimum ventilation design of network double-deck road tunnel, this study conducted 3D CFD numerical analysis for the shock loss at the combining and separating flows. The CFD model was made with the real-scale model that was the standard section of double-deck road tunnel. The shock loss coefficient of various combining and separating angles and road width was obtained and compared to the existing design values. As a result of the comparison, the shock loss coefficient of the $30^{\circ}$ separating flow model was higher and that of the two-lane combining flow model was lower. Since the combining and separating angles and road width can be important for the design of shock loss estimation, it is considered that this study can provide the accurate design factors for the calculation of ventilation system capacity. In addition, this study conducted 3D CFD analysis in order to calculate the shock loss coefficient of both combining and separating flows at flared intersection, and the result was compared with the design values of ASHRAE. The model that was not widened at the intersection showed three times higher at the most, and the other model that was widened at the intersection resulted two times higher shock loss coefficients.
Shock loss was not applied for the tunnel ventilation of road tunnel in the past. However, pressure losses due to the shock loss can be significant in network double-deck road tunnel in which combining and separating road structures exist. For the optimum ventilation design of network double-deck road tunnel, this study conducted 3D CFD numerical analysis for the shock loss at the combining and separating flows. The CFD model was made with the real-scale model that was the standard section of double-deck road tunnel. The shock loss coefficient of various combining and separating angles and road width was obtained and compared to the existing design values. As a result of the comparison, the shock loss coefficient of the $30^{\circ}$ separating flow model was higher and that of the two-lane combining flow model was lower. Since the combining and separating angles and road width can be important for the design of shock loss estimation, it is considered that this study can provide the accurate design factors for the calculation of ventilation system capacity. In addition, this study conducted 3D CFD analysis in order to calculate the shock loss coefficient of both combining and separating flows at flared intersection, and the result was compared with the design values of ASHRAE. The model that was not widened at the intersection showed three times higher at the most, and the other model that was widened at the intersection resulted two times higher shock loss coefficients.
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문제 정의
하지만 여러 가지 구조에 대한 비교 분석을 수행하는 것은 다양한 형태에 대해 각각 모델을 제작해야 하는 한계가 존재하기 때문에 전산유체역학(CFD)를 이용한 유동 해석을 수행하여 충격 손실 계수를 도출하는 것이 보다 유용한 방법이 될 수 있다. 그러므로 CFD를 활용하여 해석된 결과들은 기존에 제시되어 있는 가장 흡사한 실험결과인 ASHRAE와 비교하여 적합성을 판단하고, 실제 복층터널의 환기설계에 적용할 수 있는 설계인자를 제시하고자 한다.
이러한 이유로 본 연구에서는 수치해석을 통하여 분기･합류 구간에서 교통을 원활하게 처리하기 위해 기존 도로보다 넓어지는 부분인 확폭 교차 차로를 반영한 실제 스케일 모델에서의 충격 손실 계수를 해석하였다. 또한 메인 터널 내 교차 지점에서 최적의 공기속도를 결정하고, 분기･합류부에서 발생할 수 있는 충격 손실 계수를 정량화하여 터널 내 각종 유동계수에 대한 연구를 수행하고자 한다. 실제 이번 연구의 대상인 네트워크형 복층 도로터널에서는 시공 환경에 따라 다양한 차선과 각도를 가질 것으로 예상되므로, 분기･합류 지점을 30도와 45도의 각도로 설계하고 각각 1･2차선으로 구성된 4가지 형태의 복층 도로터널 형상을 모델링하여 충격 손실 계수를 도출하고자 한다.
현재까지 국내 도로 터널 설계에 적용되고 있는 환기 설계 지침서에서는 충격 손실에 대한 설계 인자를 제시 하지는 않은 실정이다. 이러한 이유로 본 연구에서는 수치해석을 통하여 분기･합류 구간에서 교통을 원활하게 처리하기 위해 기존 도로보다 넓어지는 부분인 확폭 교차 차로를 반영한 실제 스케일 모델에서의 충격 손실 계수를 해석하였다. 또한 메인 터널 내 교차 지점에서 최적의 공기속도를 결정하고, 분기･합류부에서 발생할 수 있는 충격 손실 계수를 정량화하여 터널 내 각종 유동계수에 대한 연구를 수행하고자 한다.
이번 연구에서는 메인 터널 내 네트워크형 구조로 인해 교차 지점 분기･합류 구간에서 발생하는 충격 손실 계수의 정립을 위해 확폭 도로를 반영한 실제 스케일의 복층 도로터널을 모델링하여 수치해석을 수행하였고 ASHRAE에서 제시한 설계 값과의 비교 분석을 통해 연결부에서의 유동 특성에 대해 고찰하였고 최적 환기 운영을 위한 설계방안을 검토하였다. 본 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
1(b)에서와 같이 메인 터널 내부에서 다른 도로터널로 이동할 수 있는 네트워크형 구조는 현재까지 운영 및 설계 사례가 전무하다. 이에 따라서 국내･외에서 최초로 운영하고자 하는 네트워크형 소형차전용 복층 도로터널의 환기설계를 위한 가이드라인이 필요한 시점이며, 본 연구에서는 네트워크형 구조의 가장 큰 특징이라 할 수 있는 메인 터널 내 분기부와 합류부 지점에서 발생할 수 있는 환기 설계 인자인 충격 손실 계수 정립을 목표로 한다2,4,5).
그러나 이 터널 시설 기준의 경우에는 지하도로 뿐만 아니라 일반적인 소형차 전용 도로에서도 적용되는 설계 값이므로 추가적인 연구를 통해 복층 도로터널의 특성에 맞는 시설 기준에 대한 적립이 필요하다. 이에 본 연구에서는 종횡비가 큰 실제 스케일의 확폭 구간을 반영한 네트워크형 복층 도로터널 모델링에서 유동 해석을 통해 측정한 충격 손실 값과 ASHRAE에서 제시하는 충격 손실 값에 대해 비교 분석하고자 하였다.
제안 방법
1. 복층 도로터널 표준단면을 반영하여 1 : 1의 실제 스케일의 터널 모형을 모델링하였고, 확폭 도로를 반영 하여 메인 터널 내 교차 지점에서 최적의 공기속도를 결정하고 연결부에서 발생할 수 있는 압력 손실인 충격 손실 계수를 정량화하여 터널 내 각종 유동 계수에 대한 연구를 수행하였다. 도로터널 내 공기 속도는 최대 3 m/s로 설정하여 총 4개의 모델 터널당 8~10번의 수치해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 메인 터널 내 교차지점에 공기가 분기되거나 합류 되는 상황을 나누어 측정한 충격 손실 값을 ASHRAE 에서 제시한 설계 값과 비교 분석하였다.
층류 및 난류 경계층 모델은 벽 근처 영역에서의 유동을 묘사하기 위해서 사용되며, SolidWorks Flow Simulation에서 사용되는 경계층 모델은 벽에서 약간 떨어진 거리에서 유동을 인식하여 간접적으로 설명하는 벽함수 수정 난류모델(Wall Function Modified Turbulence Model)이다. 고체 벽은 뉴턴 유체일 때 벽면에서의 속도가 0으로 수렴하는 no-slip 조건과 비 투과성으로 설정하였다. 다양한 종류의 도로터널 모델링의 수치 해석을 위한 입력 변수들은 Table 2에 기재하였다.
실제 이번 연구의 대상인 네트워크형 복층 도로터널에서는 시공 환경에 따라 다양한 차선과 각도를 가질 것으로 예상되므로, 분기･합류 지점을 30도와 45도의 각도로 설계하고 각각 1･2차선으로 구성된 4가지 형태의 복층 도로터널 형상을 모델링하여 충격 손실 계수를 도출하고자 한다. 또한 도로터널 형상을 최대한 근접하게 반영하기 위하여 표준단면을 토대로 길어깨 및 시설한계 등을 포함하여 해석을 진행하였다. 전산 유체 역학(CFD)을 통해 분석한 충격 손실 계수는 ASHRAE에서 제시한 설계 값과의 비교 분석을 하여 해석 값의 신뢰도를 검증하였다.
25 m, 높이 3 m, 총 길이는 500 m이다. 또한 메인 터널 중간 지점에 다양한 차선 및 각도에서의 충격 손실 계수를 확인하고자 30도와 45도로 구성하였으며 각각 1･2차선으로 구성된 4가지 구조의 도로 터널 형상을 가지고 분석을 실시하였다. Fig.
6은 SolidWorks를 통해 만든 확폭 구간이 반영된 복층 도로터널 모델이다. 복층 도로터널에서는 네트워크형 구조로 인해 분기･합류되는 교차 구간에서 시공 지역의 환경에 따라 다양한 각도를 가질 것으로 예상되기 때문에 메인 터널의 중간 지점 교차 구간의 각도 변화를 주어 도메인을 설계하였다. 분기 구간에서의 충격 손실 계수 K는 식 (4), 합류 구간에서의 충격 손실 계수 K는 (5)을 기본으로 하여 교차 구간에서의 압력 손실을 측정하기 위해 Fig.
7과 같이 일정한 간격으로 5개씩 측정지점을 선정하여 서로 다른 두지점에서의 압력차를 측정하였다. 분기되는 공기 흐름에 대한 충격 손실은 1번 지점과 2번 지점에서의 압력차, 1번 지점과 3번 지점에서의 압력차를 비교 분석하고, 합류되는 공기 흐름은 2번 지점에서 1번 지점, 3번 지점에서 2번 지점의 압력차를 비교 분석하였다. 측정된 값을 시작부분에서의 속도압력으로 나눔으로써 충격 손실 계수를 해석하였다.
본 연구의 적용 메쉬(Mesh)는 SolidWorks Flow Simulation에서 제공하는 솔루션-적응 메쉬(Adaptive Mesh) 를 적용하여 해석하였다. 솔루션-적응 메쉬(Adaptive Mesh)의 경우 초기 메쉬(Initial mesh)보다 높은 구배를 가진 분기･합류 구간에서 격자수를 증가하여 충격 손실 계수를 도출하였고, 격자 크기의 변화에 따른 변화량을 확인하기 위하여 최대 격자 크기를 50 mm에서 최소 2.5 mm로 기준 모델에 적용하여 해석의 정밀도를 결정하기 위해 수행한 결과, 측정 지점의 격자 크기는 10 mm 로 적용하였다.
또한 메인 터널 내 교차 지점에서 최적의 공기속도를 결정하고, 분기･합류부에서 발생할 수 있는 충격 손실 계수를 정량화하여 터널 내 각종 유동계수에 대한 연구를 수행하고자 한다. 실제 이번 연구의 대상인 네트워크형 복층 도로터널에서는 시공 환경에 따라 다양한 차선과 각도를 가질 것으로 예상되므로, 분기･합류 지점을 30도와 45도의 각도로 설계하고 각각 1･2차선으로 구성된 4가지 형태의 복층 도로터널 형상을 모델링하여 충격 손실 계수를 도출하고자 한다. 또한 도로터널 형상을 최대한 근접하게 반영하기 위하여 표준단면을 토대로 길어깨 및 시설한계 등을 포함하여 해석을 진행하였다.
다양한 종류의 도로터널 모델링의 수치 해석을 위한 입력 변수들은 Table 2에 기재하였다. 입력 매개 변수를 제공하는 시뮬레이션 해석 결과의 정확도 추정치 허용 스케일 모델의 실험 결과, 실제 복층 도로터널 표준 단면 구조(scale 1 : 1)로 유동 해석을 수행하였다.
수치 해석을 위한 모델의 경계 조건은 다음과 같다. 첫 번째로 메인 터널의 입구에서 최대 3 m/s의 속도로 각 모델 별 총 8～10번의 시뮬레이션을 수행하여 서로 다른 2개의 지점에서의 유량비를 0부터 1까지 계산하여 비교 분석하였다. 도로설계기준(2016, 국토해양부) 에 따르면 일방향 교통방향일 경우 자연환기에 의한 유도풍속을 최대 2.
분기되는 공기 흐름에 대한 충격 손실은 1번 지점과 2번 지점에서의 압력차, 1번 지점과 3번 지점에서의 압력차를 비교 분석하고, 합류되는 공기 흐름은 2번 지점에서 1번 지점, 3번 지점에서 2번 지점의 압력차를 비교 분석하였다. 측정된 값을 시작부분에서의 속도압력으로 나눔으로써 충격 손실 계수를 해석하였다.
전산 유체 역학(CFD)을 통해 분석한 충격 손실 계수는 ASHRAE에서 제시한 설계 값과의 비교 분석을 하여 해석 값의 신뢰도를 검증하였다. 해석 프로그램은 SolidWorks Flow Simulation 을 활용 하였고, 네트워크 구조의 복층 도로 터널 내에 분기･합류 구간에서의 최적 환기 효율을 보이는 충격 손실 계수를 제시하고자 한다.
일부 장대 도로터널에서 자연 환기 풍량은 지형적 특성에 따라 최대 3～5 m/s로 측정되었고6), 그러한 이유로 본 수치해석 적용한 설계 속도를 최대 3 m/s로 설정하였다. 해석은 도로터널 입구에서 일정한 속도로 공기를 급기하거나 배기하여 교차 지점에서 분기와 합류되도록 나누어 해석하였다. 층류 및 난류 경계층 모델은 벽 근처 영역에서의 유동을 묘사하기 위해서 사용되며, SolidWorks Flow Simulation에서 사용되는 경계층 모델은 벽에서 약간 떨어진 거리에서 유동을 인식하여 간접적으로 설명하는 벽함수 수정 난류모델(Wall Function Modified Turbulence Model)이다.
확폭 구간이 반영된 실제 스케일의 복층 도로터널 모델을 통해 분기부와 합류부에서의 충격 손실 계수를 전산유체역학(CFD)으로 계산하였다. 도로터널 입구에서 공기가 급기되는 경우에는 Fig.
대상 데이터
5와 같이 구성하였다. 모델의 단면은 소형차 전용도로의 특성을 반영하였고 차로폭, 길어깨, 시설한계 등을 고려하여 가로 9.25 m, 높이 3 m, 총 길이는 500 m이다. 또한 메인 터널 중간 지점에 다양한 차선 및 각도에서의 충격 손실 계수를 확인하고자 30도와 45도로 구성하였으며 각각 1･2차선으로 구성된 4가지 구조의 도로 터널 형상을 가지고 분석을 실시하였다.
일반적으로 터널 내 도로의 확폭 구간을 추가해야 하는 경우는 터널 내 교차되는 구간이나 대피로 등의 시설로 인해 확폭이 필요한 구간과 분기･합류부 설계로 인한 확폭 구간 그리고 환기 설비 설치로 확폭되는 구간 등의 경우가 존재한다. 본 연구에 적용된 확폭 구간은 네트워크형 도로터널 내 분기･합류부에서의 교통을 원활하게 처리하기 위해서 진입 도로가 본래 차도폭 보다 넓어져 좌･우 회전 차선이 부가되어있는 부분을 뜻한다.
확폭 구간에서의 충격 손실 계수를 측정하기 위한 해석 모델은 소형차 전용 복층 도로터널의 표준단면을 반영하여 실제 스케일의 모델을 Fig. 5와 같이 구성하였다. 모델의 단면은 소형차 전용도로의 특성을 반영하였고 차로폭, 길어깨, 시설한계 등을 고려하여 가로 9.
데이터처리
복층 도로터널 표준단면을 반영하여 1 : 1의 실제 스케일의 터널 모형을 모델링하였고, 확폭 도로를 반영 하여 메인 터널 내 교차 지점에서 최적의 공기속도를 결정하고 연결부에서 발생할 수 있는 압력 손실인 충격 손실 계수를 정량화하여 터널 내 각종 유동 계수에 대한 연구를 수행하였다. 도로터널 내 공기 속도는 최대 3 m/s로 설정하여 총 4개의 모델 터널당 8~10번의 수치해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 메인 터널 내 교차지점에 공기가 분기되거나 합류 되는 상황을 나누어 측정한 충격 손실 값을 ASHRAE 에서 제시한 설계 값과 비교 분석하였다.
또한 도로터널 형상을 최대한 근접하게 반영하기 위하여 표준단면을 토대로 길어깨 및 시설한계 등을 포함하여 해석을 진행하였다. 전산 유체 역학(CFD)을 통해 분석한 충격 손실 계수는 ASHRAE에서 제시한 설계 값과의 비교 분석을 하여 해석 값의 신뢰도를 검증하였다. 해석 프로그램은 SolidWorks Flow Simulation 을 활용 하였고, 네트워크 구조의 복층 도로 터널 내에 분기･합류 구간에서의 최적 환기 효율을 보이는 충격 손실 계수를 제시하고자 한다.
이론/모형
본 연구의 적용 메쉬(Mesh)는 SolidWorks Flow Simulation에서 제공하는 솔루션-적응 메쉬(Adaptive Mesh) 를 적용하여 해석하였다. 솔루션-적응 메쉬(Adaptive Mesh)의 경우 초기 메쉬(Initial mesh)보다 높은 구배를 가진 분기･합류 구간에서 격자수를 증가하여 충격 손실 계수를 도출하였고, 격자 크기의 변화에 따른 변화량을 확인하기 위하여 최대 격자 크기를 50 mm에서 최소 2.
이번 연구에서는 현재까지 가장 범용적인 난류모델로 알려지는 표준 k-ε 모델을 사용하여 해석을 진행하였다.
해석은 도로터널 입구에서 일정한 속도로 공기를 급기하거나 배기하여 교차 지점에서 분기와 합류되도록 나누어 해석하였다. 층류 및 난류 경계층 모델은 벽 근처 영역에서의 유동을 묘사하기 위해서 사용되며, SolidWorks Flow Simulation에서 사용되는 경계층 모델은 벽에서 약간 떨어진 거리에서 유동을 인식하여 간접적으로 설명하는 벽함수 수정 난류모델(Wall Function Modified Turbulence Model)이다. 고체 벽은 뉴턴 유체일 때 벽면에서의 속도가 0으로 수렴하는 no-slip 조건과 비 투과성으로 설정하였다.
성능/효과
11은 압력분포를 나타낸다. 1번 지점과 2번 지점에서의 분기되는 공기흐름을 확폭 구간이 반영된 모델과 반영되지 않은 실제 스케일의 모델을 비교 분석한 결과, 전반적으로 확폭 구간이 반영되지 않은 모델의 충격 손실 계수 K12가 높게 측정됨을 확인할 수 있었고, x축에서 표기된 분율이 높아질수록 값이 내려가는 것을 확인할 수 있다. 이는 선행 연구된 충격 손실 계수와 유사한 경향을 보여주는 결과이지만, 일정한 사각단면이나 원형을 가지는 ASHRAE의 설계 값에 비해 복층 도로터널 모델은 확폭 구간으로 인한 압력 손실이 높게 측정되기 때문에 충격 손실 계수가 낮게 분석되었다.
2. 메인 터널 입구에서 급기된 공기가 도로터널 내 교차 지점에서 분기되는 경우 충격 손실 계수 K는 최대 2배 정도 ASHRAE에서 제시한 설계 값보다 낮은 분포를 이루는 것으로 분석되었다. 또한 도로터널 내 교차 지점 합류부에서 충격 손실 계수 K를 측정한 결과, 최대 3배 정도 ASHRAE에서 제시한 설계 값보다 낮게 형성되었다.
12는 2번 지점과 1번지점 사이에서의 충격 손실 계수 K12을 유동해석을 통해 도출한 그래프이다. 2번 지점과 1번 지점에서의 공기흐름을 확폭 구간이 반영된 모델과 반영되지 않은 실제 스케일의 모델을 비교 분석한 결과, 전반적으로 확폭 구간이 반영된 모델에서의 충격 손실 계수 K12이 높게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 2번지점에서 1번 지점으로 배기되는 공기와 3번 지점에서 1번 지점으로 흐르는 공기가 교차 지점에서 만나면서 교통흐름 관점에서 비정상적인 난류 현상을 만들기 때문에 메인 터널 입구로 배기되는 유량이 많아지게 되면서 충격 손실 계수가 낮아지는 결과를 보여주었다.
3. 본 연구의 해석조건에서 수치시뮬레이션을 통해 메인 터널 중심 연결부 교차 지점 분기 구간에서의 경우, 45도 1차선에서 충격 손실 계수 K13은 가장 낮은 범위(0.18～0.62)를 보였으며 30도 2차선에서 가장 높은 범위(-0.04～0.71)의 충격 손실 계수가 분석되었다. 또한 합류 구간에서는 30도와 45도 2차선에서 가장 낮은 범위(-0.
메인 터널 입구에서 급기된 공기가 도로터널 내 교차 지점에서 분기되는 경우 충격 손실 계수 K는 최대 2배 정도 ASHRAE에서 제시한 설계 값보다 낮은 분포를 이루는 것으로 분석되었다. 또한 도로터널 내 교차 지점 합류부에서 충격 손실 계수 K를 측정한 결과, 최대 3배 정도 ASHRAE에서 제시한 설계 값보다 낮게 형성되었다. 1 : 1의 종횡비를 가지는 ARHRAE에서 제시한 설계 값에 비해 소형차 전용 도로의 특성상 낮은 층고 높이로 인해 1 : 3의 종횡비를 가지는 네트워크형 복층 도로터널 모델에서의 충격 손실 계수 K는 높은 압력 손실이 발생하기 때문에 결과 값이 낮게 형성된다.
또한 합류 구간에서는 30도와 45도 2차선에서 가장 낮은 범위(-0.58～0.54)의 충격 손실 계수 K12값이 분석되었고, 45도 1차선에서 충격 손실 계수 값의 범위(-0.74～1.01)가 가장 높게 나타났다.
앞서 분석한 K12와 유사하게 3번 지점과 2번 지점 에서 메인 터널 입구로 흐르는 공기가 교차지점에서 합류하게 되면서 유량의 증가로 인해 충격 손실 계수의 값이 높아지는 현상이 발생하였다. 유량비와 각도에 따른 합류구간에서의 충격 손실 계수를 확인해보면, 합류 각도에 따른 차이보단 차선 면적에 따른 충격 손실이 최대 약 2배 정도 높은 값이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 선행 연구를 통해 단면에 의한 충격 손실 계수의 차이는 거의 없다고 알려졌지만, 이번 비교 분석 연구를 통해 도로터널 교차 지점 분기･합류부에서의 압력 손실에 대해 확인한 결과, 동일한 분기･합류 각도를 가지는 모델에서도 차도폭에 따른 차이가 존재하였다.
1 : 1의 종횡비를 가지는 ARHRAE에서 제시한 설계 값에 비해 소형차 전용 도로의 특성상 낮은 층고 높이로 인해 1 : 3의 종횡비를 가지는 네트워크형 복층 도로터널 모델에서의 충격 손실 계수 K는 높은 압력 손실이 발생하기 때문에 결과 값이 낮게 형성된다. 이러한 결과는 충격 손실 계수 K가 단면적의 사이즈, 형태 및 구조적 변화 또는 종횡비에 따라 압력 손실 값이 다르게 발생한다는 것을 의미하며, 이는 종횡비가 충격 손실에 가장 높은 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인한 결과이다.
후속연구
25 m로 설계한다. 그러나 이 터널 시설 기준의 경우에는 지하도로 뿐만 아니라 일반적인 소형차 전용 도로에서도 적용되는 설계 값이므로 추가적인 연구를 통해 복층 도로터널의 특성에 맞는 시설 기준에 대한 적립이 필요하다. 이에 본 연구에서는 종횡비가 큰 실제 스케일의 확폭 구간을 반영한 네트워크형 복층 도로터널 모델링에서 유동 해석을 통해 측정한 충격 손실 값과 ASHRAE에서 제시하는 충격 손실 값에 대해 비교 분석하고자 하였다.
이러한 이유로 복층 도로터널 표준단면을 토대로 다양한 단면적비와 분기･합류 각도 그리고 차도폭에 따른 압력 손실에 대한 환기 설계 인자 도출에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 이번 수치해석을 통해 도출한 충격 손실 계수 K를 실제 교차 구간을 가지는 지하도로 설계 및 시공 시 보다 효율적인 환기 설계에 있어서 반드시 필요한 것으로 판단된다.
메인 터널 입구에서 배기되는 공기 흐름의 경우 충격 손실은 공기가 급기되는 경우와는 다르게 합류되는 각도에 대한 영향은 작은 것이 확인되었다. 이러한 이유로 복층 도로터널 표준단면을 토대로 다양한 단면적비와 분기･합류 각도 그리고 차도폭에 따른 압력 손실에 대한 환기 설계 인자 도출에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 이번 수치해석을 통해 도출한 충격 손실 계수 K를 실제 교차 구간을 가지는 지하도로 설계 및 시공 시 보다 효율적인 환기 설계에 있어서 반드시 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
네트워크형 소형차전용 복층 도로터널의 환기설계를 위한 가이드라인이 필요한 시점인 이유는?
1(a) 와 같이 메인 터널을 중심으로 다양한 입･출구가 존재하는 경우는 존재하지만, Fig. 1(b) 에서와 같이 메인 터널 내부에서 다른 도로터널로 이동할 수 있는 네트워크형 구조는 현재까지 운영 및 설계 사례가 전무하다. 이에 따라서 국내･외에서 최초로 운영하고자 하는 네트워크형 소형차전용 복층 도로터널의 환기설계를 위한 가이드라인이 필요한 시점 이며, 본 연구에서는 네트워크형 구조의 가장 큰 특징 이라 할 수 있는 메인 터널 내 분기부와 합류부 지점에서 발생할 수 있는 환기 설계 인자인 충격 손실 계수 정립을 목표로 한다2,4,5).
충격 손실이란?
충격 손실은 도로터널에서 분기부와 합류부 지점에서 나타날 수 있는 있는 가장 큰 환기설계인자이며, 주로 단면적이나 구조적인 변화로 인해 발생한다. 이러한 충격 손실은 현재까지 일반적인 일자형 지하도로에서의 환기 설계에 있어서 적용되지 않았지만, 네트워크형 구조를 가지는 복층 도로터널에서는 분기･합류부에서의 발생하는 압력 손실인 충격 손실이 반드시 포함되어져야 할 것으로 판단된다3).
서울시 지하 대심 도에 건설하여 운영하고자 하는 복층 도로터널은 어떤 터널로 계획중인가?
전 세계적으로 급격한 산업발전에 따라 교통수요 및 물류 유통량의 증가로 인하여 도로의 직선, 대용량화가 요구되면서 이에 따른 대안으로 복층 도로터널의 운영 효과가 긍정적으로 나타나고 있고, 현재 국내에서도 다양한 복층 도로터널의 운영을 위한 사전 연구들이 활발하게 이루어지고 있다1). 그중에서도 서울시 지하 대심 도에 건설하여 운영하고자 하는 복층 도로터널은 종방향 3개의 터널과 횡방향 3개의 터널을 유기적으로 연결 하는 네트워크형 소형차 전용 복층 도로터널로 계획 중이다. 국내를 제외한 국외에서 현재까지 운영되고 있는 단층 도로터널들은 Fig.
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