[논문]저심도 도로터널에서 터널과 수직환기구의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향에 관한 실험연구

홍기배; 나준영; 유홍선

doi:10.5762/kais.2019.20.4.619

저심도 도로터널에서 터널과 수직환기구의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향에 관한 실험연구
Experimental Study on the Effect of the Area Ratio between Shaft and Tunnel and Heat Release Rate on the Plug-holing Phenomena in Shallow Underground Tunnels 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.619 - 625

홍기배 (한국교통대학교 기계자동차항공공학부 자동차공학전공) , 나준영 (중앙대학교 기계시스템엔지니어링학과) , 유홍선 (중앙대학교 기계시스템엔지니어링학과)

초록
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저심도 터널에서는 온도차에 의한 부력을 이용한 자연배기시스템이 많이 사용되고 있지만 이는 연기배출을 인위적으로 조절할 수 없다. 그러므로 자연배기시스템에서는 수직환기구에서 연기 배출량이 설계된 연기 배출량보다 적어지는 Plug-holing 현상을 고려한 설계가 필수적이다. Plug-holing 현상은 터널과 수직환기구의 형상 위치, 화원의 위치와 발열량 등에 영향을 받는다. 본 연구에서는 터널과 자연 환기구의 단면적 비와 화원의 열방출률이 자연배기시스템에서 발생하는 Plug-holing 현상에 미치는 영향에 대하여 실험적으로 분석하였다. 1/20 크기로 축소시킨 실험모델에서 터널과 수직환기구의 종횡비는 고정시키고 터널과 수직환기구의 단면적 비를 달리하여 Plug-holing 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 화원의 열방출율은 0.55 kW, 0.98 kW, 1.67 kW로 고정시켰다. 실험결과, 연기 경계층온도와 수직환기구 내의 온도와의 비교를 통한 Plug-holing 발생을 판단하였고, 터널과 수직환기구의 단면적 비가 증가함에 따라서 수직환기구 하부의 유동과 온도분포 특성이 변함을 확인하였다. 터널 화재 시 Plug-holing 현상은 터널과 수직환기구의 단면적 비에 영향을 받으며 단면적 비가 클수록 Plug-holing 발생 가능성이 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is difficult to design because of the plug-holing phenomenon in which the amount of smoke discharged from the vertical vent is smaller than the designed amount of smoke. In this study, the effect of cross-sectional area ratio of tunnel and natural ventilation and heat release rate of fire source on plug-holing phenomenon occurring in natural ventilation system was experimentally analyzed. In the experiment model reduced to 1/20 size, the aspect ratio of the tunnel and the vertical vent was fixed, and the influence on the plug-holing phenomenon was confirmed by varying the sectional area ratio of the tunnel and the vertical vent. Experimental results show that the plug-holing phenomenon is caused by the comparison of the smoke boundary layer temperature with the temperature in the vertical vents, and the flow and temperature distribution characteristics under the vertical vents are changed as the cross-sectional area ratio of the tunnel and vertical vents increases. The plug-holing phenomenon is affected by the cross-sectional area ratio between the tunnel and the vertical ventilation. The greater the cross-sectional area ratio, the greater the probability of plug-holing.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. The schematic of the reduced tunnel.
그림 Fig. 2. Top view of tunnel and shafts in all cases[Unit : mm].
표 Table 1. Calculated heat release rate(HRR).
그림 Fig. 3. Transverse temperature distribution in tunnel. (Pool area 20.25 cm²)
그림 Fig. 4. Longitudinal temperature distribution in shaft (a) Pool area 6.25 cm² (b) Pool area 12.25 cm² (c) Pool area 20.25 cm²
표 Table 2. The judgment of plug-holing in all case.
그림 Fig. 5. The visualization under the shaft in small scale tunnel fire in Pool area : 20.25 cm² (a) Area ratio 0.054, (b) Area ratio 0.054 (c) Area ratio 0.090, (d) Area ratio 0.110

AI 본문요약
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문제 정의

이에 Plug-holing현상의 발생을 억제하기 위하여 터널과 자연 환기구의 형상적 특성이 함께 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 터널과 수직환기구의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향의 분석을 목적으로 한다.
본 연구에서는 터널화재에서 터널과 수직환기구의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 연기의 유동 및 Plug-holing 현상 발생 유무는 온도 분포를 기반으로 차량 한 대가 연소되는 3MW이하에 해당하는 열방출률과 터널과 수직환기구의 종횡비는 고정시키고 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
터널과 샤프트의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 본 실험을 진행하였다. Plug-holing현상을 분석하기 위하여, 연기 경계층 온도를 계산하기 위한 터널 내부의 횡방향 열전대 트리와 수직환기구 내부에 터널길이 방향 열전대 트리를 설치하였고 이로부터 온도분포를 얻었다.

제안 방법

터널과 샤프트의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 본 실험을 진행하였다. Plug-holing현상을 분석하기 위하여, 연기 경계층 온도를 계산하기 위한 터널 내부의 횡방향 열전대 트리와 수직환기구 내부에 터널길이 방향 열전대 트리를 설치하였고 이로부터 온도분포를 얻었다. 수직환기구 단면적의 변화는 수직환기구 아래 연기의 부력 및 관성력의 변화를 초래하고, 이는 Plug-holing 현상 발생에 영향을 미친다.
02 m간격으로 구성된다. 또한 수직 환기구로 신선한 공기의 유입 유무를 판단하기 위하여 수직환기구의 입구에 터널 길이방향으로 열전대 트리를 단면적 비에 따라 0.01 m 간격으로 설치하였다. 실험에 사용된 열전대는 K-type(Chromel-alumel, 온도 범위: -200 ~ 1250 °C, 오차율: 1.
4 %)이다. 또한 연기의 유동을 가시화하기 위하여 레이저 시트 생성기(LW-9117)를 터널 외부에서 수직환기구 방향으로 설치했다.
풀 화재의 준정상상태 구간의 평균값을 실험의 대표 값으로 사용하였다. 또한 준 정상상태 영역이 풀 화재의 크기마다 상이하므로 각각의 화원에 따라 다른 준정상상태 영역을 선택하여 온도를 평균하였다. Table 1.
수직환기구 단면적의 변화는 수직환기구 아래 연기의 부력 및 관성력의 변화를 초래하고, 이는 Plug-holing 현상 발생에 영향을 미친다. 수직환기구에 설치된 열전대 트리에서 얻은 온도를 이용하여 Plug-holing현상 발생여부를 확인했다.
Plug-holing 연구 초기에 사용된 Cooper의 N-percentage rule은 선택한 임의의 값 N에 의하여 바뀌기 때문에 연기 경계층 온도의 신뢰성은 낮다[8]. 신뢰성을 향상시키기 위해서는 정확한 정의가 필요한데, Jannsens이 터널 내 수직 온도분포를 이용하여 경계층의 높이를 계산하는 방법을 제안하였고 본 연구에서는 연기 경계층 온도를 계산하는데 Jannsens의 연기 경계층 계산식을 사용하였다. 계산된 연기 경계층 높이는 다시 계산에 사용했던 터널 내 수직 온도분포에 대입하여 연기 경계층 온도를 계산한다[9].
연기경계층 온도의 계산과 수직 환기구에서의 Plug-holing 발생 여부를 판단하기 위해서 2개의 열전대 트리로부터 온도 분포를 측정하였다. 터널 횡방향 열전대 트리는 수직환기구 아래에서 발생하는 Plug-holing의 영향이 미치지 않으면서 화원에서 가깝지 않은 곳에서 설치해야 하므로, 화원으로부터 2 m 떨어진 지점에 설치하였다.
본 연구에서는 터널화재에서 터널과 수직환기구의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 연기의 유동 및 Plug-holing 현상 발생 유무는 온도 분포를 기반으로 차량 한 대가 연소되는 3MW이하에 해당하는 열방출률과 터널과 수직환기구의 종횡비는 고정시키고 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
3 m 떨어진 곳에 설치하였고,수직환기구의 높이 또한 연기유동과 Plug-holing 현상에 영향을 주는 요소이므로 이를 고정할 필요가 있다. 이전 연구에서 연구된 임계 수직환기구 높이와 저심도 터널의 깊이 기준인 10m이내를 적용하여 축소모델에서의 수직 환기구의 높이를 0.15m로 고정하였다[10]. 터널과 수직 환기구의 외벽은 0.
42 m이다. 터널과 수직환기구의 면적비(Area ratio, AR)를 변경하기 위해 터널의 형상은 고정하고 수직환기구의 단면적을 변경했다. 터널과 수직환기구의 단면적 비는 0.

대상 데이터

Fig. 5은 풀 면적 20.25 cm² 화원에서 레이저 시트를 이용하여 유동가시화를 통해 터널과 수직환기구의 단면적 비에 따른 Plug-holing 발생여부를 판단하는 사진으로 준정상상태 시간대에서 선택하였다.
실험에 사용된 열전대는 K-type(Chromel-alumel, 온도 범위: -200 ~ 1250 °C, 오차율: 1.1 °C or 0.4 %)이다.
실험에 사용된 터널은 실제 터널(길이 140 m, 높이 6m, 폭 8.4 m)을 1:20의 비율로 축소 제작한 것이다. 축소 모델 터널의 개략도는 Fig.
1에 나와 있다. 축소 모델 터널은 길이가 7 m이고 높이가 0.3 m, 폭이 0.42 m이다. 터널과 수직환기구의 면적비(Area ratio, AR)를 변경하기 위해 터널의 형상은 고정하고 수직환기구의 단면적을 변경했다.
08 m 두께의 아크릴로 제작하였으며, 풀(Pool)과 가까운 공간은 열로 인한 변형을 막기 위해 철과 내화보드로 구성된다. 터널에서 차량 한 대가 연소하는 화재를 모사하기 위해 한 변의 길이가 0.025,0.035, 0.045 m의 정사각형 풀을 사용하였다[14]. 화재의 연료는 N-Heptane(순도: 99 %)을 사용하였다.
045 m의 정사각형 풀을 사용하였다[14]. 화재의 연료는 N-Heptane(순도: 99 %)을 사용하였다. 풀 화재의 준정상상태 구간의 평균값을 실험의 대표 값으로 사용하였다.

이론/모형

연기 경계층 온도와 수직환기구 내부 터널길이 방향 열전대 트리에서 얻은 최소온도와의 비교를 통하여 연기경계층 온도보다 수직환기구 내부 온도가 낮게 나오면 수직환기구 하부 신선한 공기층이 수직환기구로 연기와 함께 토출되는 Plug-holing이 발생했다고 판단한다. 연기 경계층 온도는 Janssens의 연기 경계층 높이 식을 사용하여, 터널 내 횡방향 온도분포로부터 구한다[9]. Fig.

성능/효과

1. 터널과 수직환기구의 단면적 비가 증가함에 따라 수직환기구 하부의 유동과 온도분포 특성이 변함을 확인하였고, Plug-holing은 터널과 수직환기구의 단면적 비에 영향을 받으며 단면적 비가 클수록 Plug-holing 발생 가능성이 증가한다.
2. 열방출률의 변화는 연기 경계층온도와 수직환기구내의 온도분포와 연기유동에 영향을 주지만 Plug-holing 발생 여부에 까지 영향을 주지는 않는다.
반대로 양의 값이면 수직환기구에서 연기 경계층 온도보다 낮은 온도의 신선한 공기유입이 이루어졌다고 볼 수 있고, 이 경우 Plug-holing이 발생했다고 판단한다. 고정된 열방출률에서 터널과 수직환기구의 단면적 비가 커질수록 값이 커지며 이는 연기경계층 온도보다 수직환기구 내의 최소온도가 더 낮아짐을 의미하고 Plug-holing 발생 가능성이 더 증가한다는 것으로 판단된다.
각각의 풀 화재에서 같은 경향을 보인다. 또한 터널과 수직환기구의 단면적 비가 증가할수록 수직환기구 내 최고온도와 최저온도의 차이 또한 증가하는데, 이는 단면적 비가 커질수록 수직환기구에 공기의 유입이 증가하여 수직환기구 내의 온도를 감소시키는 것으로 판단된다.
(1) 을 적용하여 실제 화재를 계산한 열방출률을 나타내었다. 본 실험에서 가장 큰 풀 면적 20.25 cm²의 실제화재 시의 열 방출률 2.99 MW는 연료가 없는 2000 cc 승용차가 연소될 때의 최대 열방출률 3MW과 거의 유사하다. 이보다 작은 풀 면적은 승용차 화재 성장기를 모사한 것이다.
연기 경계층 온도와 수직환기구 내부 터널길이 방향 열전대 트리에서 얻은 최소온도와의 비교를 통하여 연기경계층 온도보다 수직환기구 내부 온도가 낮게 나오면 수직환기구 하부 신선한 공기층이 수직환기구로 연기와 함께 토출되는 Plug-holing이 발생했다고 판단한다. 연기 경계층 온도는 Janssens의 연기 경계층 높이 식을 사용하여, 터널 내 횡방향 온도분포로부터 구한다[9].
수직환기구에서 터널의 길이방향 온도분포는 단면적 비마다 그 수직환기구의 깊이가 다르기 때문에 정규화하여 나타내었다. 정규화된 수직환기구 깊이를 기준으로 0.25 부근에서 가장 높은 온도가 측정되었다. 이는 수직환기구 입구로부터 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 터널과 수직환기구의 단면적 비가 증가하면 어떻게 되었는가?	1. 터널과 수직환기구의 단면적 비가 증가함에 따라 수직환기구 하부의 유동과 온도분포 특성이 변함을 확인하였고, Plug-holing은 터널과 수직환기구의 단면적 비에 영향을 받으며 단면적 비가 클수록 Plug-holing 발생 가능성이 증가한다.
	Plug-holing 현상이란 무엇인가?	도시 밀집화와 국토 이용 효율성 제고를 위하여 저심도터널의 건축이 증가되고 있으며 자연배기 시스템이 많이 사용되고 있다. Plug-holing 현상은 터널에서 자연 배기구로 연기가 배출될 때, 연기층 하단의 신선한 공기가 부력 등에 의해 연기와 함께 배출되어 연기의 배출 유량이 설계 유량보다 감소하게 되는 현상으로써 터널 설계 시에 이를 필수적으로 고려하여야 한다. 이 현상을 억제하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
	자연 환기 시스템의 Plug-holing 현상 발생 억제를 위해 고려해야하는 것은 무엇인가?	터널과 수직환기구의 형상적 특성은 터널 내 제연시스템에 있어 중요한 요인이며 선행 연구를 통해 확인할 수 있듯이 자연 환기 시스템의 Plug-holing 현상은 열 방출률의 크기와 터널과 수직환기구의 형상적 특성에 영향을 받는다. 이에 Plug-holing현상의 발생을 억제하기 위하여 터널과 자연 환기구의 형상적 특성이 함께 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 터널과 수직환기구의 단면적 비와 열방출률이 Plug-holing 현상에 미치는 영향의 분석을 목적으로 한다.

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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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