[논문]제트팬 용량이 도로터널 화재에 미치는 영향

김강희; 조목량; 김태권

doi:10.5762/kais.2019.20.9.204

제트팬 용량이 도로터널 화재에 미치는 영향
Effect of Re-ventilated Fan Capacity on Road Tunnel Fire 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.9, 2019년, pp.204 - 210

김강희 (계명대학교 대학원 기계공학과) , 조목량 (계명대학교 대학원 기계공학과) , 김태권 (계명대학교 기계자동차공학과)

초록
AI-Helper

터널 내부에서의 화재의 경우 일반도로와 달리 운전자의 시야 확보가 어려워 대형사고가 발생할 가능성이 매우 높다. 따라서 터널 내부 화재 발생 시 제트팬 용량에 따른 제연 효과에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 NIST에서 개발한 화재시뮬레이션인 FDS를 사용하여 제트팬의 유무, 제트팬의 용량에 의해 터널 내부에서 발생한 차량 화재에 대한 제트팬 용량에 따른 연기 거동 및 가시거리, 일산화탄소의 농도를 분석하였다. HRRPUA(Heat Release Rate Per Area)는 $3.6MW/m^2$로 설정하였으며, 모든 해석 시간은 총 600s로 설정하였다. CFD에 의한 가시거리, 일산화탄소 농도 해석은 y=30m, y=110m에서 결과를 확인하였으며 직경과 유량에 따라 연기거동 분석, 가시거리 분석, 일산화탄소 농도를 확인하였다. 제트팬의 직경과 유량이 커질수록 y=30m 후방에서 높은 가시거리를 확인할 수 있으며 일산화탄소 농도가 0ppm임을 확인하였다. 제트팬 직경과 유량이 큰 조건에서는 제트팬 유동의 상류 방향으로 대피하면 인명피해를 최대한 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In case of a fire inside a tunnel, unlike ordinary roads, it is very difficult for a driver to obtain visibility, and a large accident is highly likely to occur. In this study, the smoke behavior, visible distance, and CO concentration of a jet fan were analyzed using the NIST fire simulation (FDS). All analyses were set to HRRPUA (Heat Release Rate Per Area) 3.6MW/m and all the analysis times were set to 600s. In all analyses by CFD, the results were confirmed at y=30m and y=110m, and smoke behavior analysis, visible range analysis, and carbon monoxide concentration were confirmed according to the diameter and flow rate. As the size and flow rate of the jet fan increased, the visibility distance was high at y=30m, and the concentration of carbon monoxide was also confirmed to be 0 ppm. Therefore, proper setting of the jet fan diameter and flow rate will be an excellent solution for fires in tunnels, and taking refuge at upstream area of a re-ventilated fan can reduce the number of casualties.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Geometry of Tunnel (iso view)
그림 Fig. 2. Tunnel modeling in FDS
표 Table 1. FDS simulation conditions
그림 Fig. 3. Smoke behavior at tunnel
그림 Fig. 4. Heat release rate
그림 Fig. 5. Visible distance analysis
그림 Fig. 6. Carbon monoxide concentration analysis

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 터널 내부 화재 발생 시 연기 및 유독성 가스의 거동을 확인하기 위하여 가상의 터널을 Fig. 1과 Fig. 2와 같은 제원으로 모델링 하였다. 터널의 길이는 160m, 폭 9.
본 연구에서는 터널에 대해서 가상의 자동차 사고 화재 발생 시나리오를 설정하고, 터널 내 화재의 경우 제트팬의 제연 성능을 분석하기 위하여 미국 국립 표준 기술연구소(NIST)에서 개발한 화재시뮬레이션 소프트웨어인 FDS(Fire Dynamics Simulation)을 사용하여 제트팬의 용량에 따라 연기 거동 및 가시거리, CO 농도를 해석하였다[5].

가설 설정

Case1은 터널 화재 발생 시 제트팬이 없는 조건으로 가정하고, Case2는 제트팬 유량을 Q=8.5㎥/s, Case3은 Q=28.5㎥/s, Case4는 Q=55.0㎥/s로 설정하였다.
7m)로 모델링하였다. 터널 내부 자동차가 사고 발생으로 인해 정체되어 있어 교통 환기력이 없는 상황을 가정하였다. 제트팬 유량별(Q) 4가지 Case를 선정하였고 각 해석 시간은 600s이다.

제안 방법

화재시뮬레이션을 통해 터널 화재 시 발생하는 연기거동에 의한 가시거리를 해석한 결과를 나타내었다. y=30m, y=110m 제트팬의 위치를 기준으로 가시거리를 분석하였으며 제트팬이 없는 경우와 제트팬의 유량이 높은 직경 d=1.53m, 유량 Q=55.0㎥/s의 조건에서 사람의 시야 높이인 1.5m에서 분석한 결과를 각 4가지의 Case를 아래 Fig. 4에 나타내었다.
2의 하단에 위치한 화살표는 차량과 유동의 방향을 나타낸다. 또한 가시거리와 일산화탄소 농도를 확인하기 위해 y=30m, y=110m에 각각 가시거리 Device와 일산화탄소 Device를 사람호흡높이인 1.5m 높이에 모델링하였다.
본 연구를 통하여 환기 설비가 없는 조건이나 제트팬의 직경 크기 및 유량에 따라 순수 연기의 거동, 가시거리 분석, 일산화탄소의 농도를 확인하였다. 이러한 결과를 통해 제트팬 d=1.
본 연구에서는 화재 시뮬레이션인 FDS를 이용하여 터널 내부 화재 시 제트팬 용량에 따른 연기의 거동 및 일산화탄소의 농도, 제연 효과를 해석하였다. 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
터널 내 자동차 화재 발생에 따른 연기의 거동을 제트팬의 유무, 직경(d), 유량(Q)의 조건으로 4가지 Case로 구분을 하였으며, Smokeview를 이용하여 터널 내부에서의 연기거동을 Fig. 3에 나타내었다.
0㎥/s로 설정하였다. 토출방향은 터널내부 자동차 이동방향과 동일한 방향으로 설정하고, 터널 내부 소재는 Concrete, 자동차는 Steel과 Plastic으로 설정하였다.
터널 화재 발생 시 연기 거동 및 환기 제연을 적용시키기 위해 Table 1에 나타낸 조건으로 해석을 진행하였다. 화원에서 발생하는 화재의 규모는 해외 실제 미니밴의 화재 시나리오를 이용하였으며 그래프를 시간과 분율을 피팅 작업하여 미니밴이 전소된 경우 발생하는 HRRPUA 값인 3.6MW/m²으로 설정하였다[7].
화재시뮬레이션을 통해 터널 화재 시 발생하는 연기거동에 의한 가시거리를 해석한 결과를 나타내었다. y=30m, y=110m 제트팬의 위치를 기준으로 가시거리를 분석하였으며 제트팬이 없는 경우와 제트팬의 유량이 높은 직경 d=1.
화재시뮬레이션을 통해 터널 화재 시 발생하는 유독성 가스 중에서 CO의 농도를 해석한 결과를 나타내었다. 제트팬이 없는 경우와 제트팬 직경 1.

대상 데이터

터널 내부 자동차가 사고 발생으로 인해 정체되어 있어 교통 환기력이 없는 상황을 가정하였다. 제트팬 유량별(Q) 4가지 Case를 선정하였고 각 해석 시간은 600s이다. Case1은 터널 화재 발생 시 제트팬이 없는 조건으로 가정하고, Case2는 제트팬 유량을 Q=8.
2와 같은 제원으로 모델링 하였다. 터널의 길이는 160m, 폭 9.2m, 높이 6.8m의 편도 2차선 터널이다. 터널 바닥으로부터 5m 위에 d=0.

이론/모형

또한 FDS는 난류모델을 풀기 위한 방법으로 DNS(Direct Numerical Simulation)와 LES(Large Eddy Simulation)기법을 사용한다. 해당 터널 화재 해석에서는 LES기법으로 해석을 진행하였다.
본 연구에서 사용하는 화재시뮬레이션인 FDS를 사용하여 해석을 진행하였다. FDS는 필드 모델링을 바탕으로 화재, 연기, 열 유동을 분석할 수 있는 3차원 시뮬레이션 프로그램이다.
또한 FDS는 난류모델을 풀기 위한 방법으로 DNS(Direct Numerical Simulation)와 LES(Large Eddy Simulation)기법을 사용한다. 해당 터널 화재 해석에서는 LES기법으로 해석을 진행하였다.
화재조사 및 화재감식, 화재안전성평가, 소방 설비의 설계, 공조 설비, 공기 오염도 등을 평가하는데 사용되고 있다. 해석 결과는 FDS 후처리 프로그램인 Smokeview를 이용하여 해석 결과를 확인할 수 있다[6].

성능/효과

최초 발화 시작 후 약 200s까지 0ppm의 농도를 확인할 수 있다. 200s부터 약10ppm까지 농도가 확인되며 최대 HRR 시점인 300s 부근에서 20ppm, 400s대에서 약 35ppm의 농도를 확인하였다. 약 500s대에서 농도가 감소하는 것을 확인하였다.
직경과 유량이 작으므로 이와 같은 연기의 거동이 확인된다. 300s 후 연기의 거동은 제트팬이 없는 조건과 동일하게 양쪽으로 거동하는 것을 확인하였다.
최초 발화가 시작한 후, 300s가 지나 가시거리가 감소함을 확인할 수 있다. 400s가 지나 약 20m의 가시거리를 보인 후 400s 이후부터 가시거리가 회복함을 확인하였다.
200s부터 약10ppm까지 농도가 확인되며 최대 HRR 시점인 300s 부근에서 20ppm, 400s대에서 약 35ppm의 농도를 확인하였다. 약 500s대에서 농도가 감소하는 것을 확인하였다.
Case1은 제트팬이 없는 조건에서 최초 발화 시작 후 35s와 300s의 상태이다. 연기의 거동은 터널 상부를 통해 양쪽으로 퍼져나가며, 최대 HRR에 도달하는 시간인 300s 후 연기의 거동은 터널 상하부를 통해 양쪽으로 계속해서 진행되는 것을 확인하였다.
본 연구를 통하여 환기 설비가 없는 조건이나 제트팬의 직경 크기 및 유량에 따라 순수 연기의 거동, 가시거리 분석, 일산화탄소의 농도를 확인하였다. 이러한 결과를 통해 제트팬 d=1.53m, Q=55.0㎥/s의 조건에서는 차량진행의 반대방향으로 연기와 일산화탄소가 역행하지 않고 차량의 진행방향인 출구 쪽으로 거동하는 것을 확인하였다. 따라서 제트팬의 직경 과 유량의 설정에 의해 터널 내부 화재 시 신속한 제연 효과의 해결책이 될 것으로 판단된다[7].
0㎥/s의 조건, y=110m의 위치에서 분석한 결과이다. 최초 발화 후 가시거리는 급감하여 약 10m의 가시거리를 확인할 수 있으며 약 100s부터 200s까지 가시거리가 소폭 상승하여 약 13m의 가시거리를 확보한다. 최대 HRR 부근인 300s에서 1m의 가시거리를 확인할 수 있으며 400s부터 600s까지 그래프가 상승 및 하강 후 가시거리가 회복한다.
(b)는 제트팬이 없는 조건에서 y=110m 위치의 가시거리를 분석한 결과이다. 최초 발화가 시작한 후, 300s가 지나 가시거리가 감소함을 확인할 수 있다. 400s가 지나 약 20m의 가시거리를 보인 후 400s 이후부터 가시거리가 회복함을 확인하였다.
수많은 인명피해를 유발하는 유독성 가스인 일산화탄소는 차량이 터널 내부에서 화재 시 다량 발생한다. 특히 직경 d=1.53m, 유량 Q=55.0㎥/s의 해석결과에서는 차량진행방향으로 일산화탄소가 빠져나가며, y=30m을 기준으로 후방으로는 일산화탄소가 거동하지 않는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDS란 무엇인가?	본 연구에서 사용하는 화재시뮬레이션인 FDS를 사용하여 해석을 진행하였다. FDS는 필드 모델링을 바탕으로 화재, 연기, 열 유동을 분석할 수 있는 3차원 시뮬레이션 프로그램이다. 입력한 정보 및 화재 조건을 바탕으로 물질, 열전달, 연소 및 화염, 연기의 거동을 확인할 수 있다.
	터널 구조적 특성상 사고 발생 시 무슨 어려움이 있는가?	최근 터널 내 교통사고 발생건수는 2012년 589건, 2013년 539건, 2014년 539건으로 총 3년간 87명이 사망하였으며 최근5년 평균으로는 591건으로 꾸준히 터널 교통사고가 발생하고 있다. 터널 구조적 특성상 추돌사고 후 자동차에서 발생하는 유독가스의 배출이 어렵고 또한 빠른 온도 상승에 기인하여 피난의 어려움이 있다. 현재 터널 내 모니터링 강화 및 신속 대응 팀을 운영하고 있으나 사고 발생 시 터널 내 진입하기가 어렵기 때문에 신속한 사고처리가 어려운 실정이다.
	제트팬 용량에 따른 제연 효과에 관한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	터널 내부에서의 화재의 경우 일반도로와 달리 운전자의 시야 확보가 어려워 대형사고가 발생할 가능성이 매우 높다. 따라서 터널 내부 화재 발생 시 제트팬 용량에 따른 제연 효과에 관한 연구가 필요하다.

참고문헌 (7)

Dong-Ho Min, Bong-Sei Son, "Numerical Simulation on the Heat Transfer and Smoke Flow Phenomena and Evacuation in the Road Tunnel Fires", Fire Science and Engineering, Vol.19, No.1, pp.87-92, 2005.
Nag-Young Kim, Young-Seok Park, "Consideration of Accident Prevention System for Highway Tunnels", Korean Geo-Environmental Society Fall Conference, Vol.2011, No. 9, September 30, 2011.
Dong-Ho Rie, Ha-Young Kim, Sung-Woong Moon, Ji-Oh Yoo, "The dynamic characteristics of upper hot gas layer and smoke propagation along with tunnel slope in case of fire", Journal of Korean Tunneling and Underground Space Association, Vol.11. No.3, pp.223-228, September, 2009.
Sung-Ryoung Lee, "An Experimental Study on Smoke Movement by the External Wind in Road Tunnel Fires", Korean Society for Rock Mechanics, Tunnel and Underground space, Vol. 24, No. 4, pp. 308-315, 2014.

원문보기 상세보기
Tae-Kwon Kim, Mok-Lyang Cho, "A Simulation of fire smoke behavior in the K subway station for Daegu Metro Line 2", Journal of the Korean institute of gas, Vol2016, No11, pp.217, 2016.
Yong-Kyun Yonn, Eun-Hye Ju, "A Study on the Behavior of Smoke Spread Caused by Vehicle Fire in a Road Tunnel", Korean Society for Rock Mechanics, Vol.22, No.5, pp.365-372, 2012.
Batsuhiro Okamoto, Takuma Otake, Hiroki Miyamoto, Masakatsu Honma, Norimichi Watanabe, "Burning behavior of minivan passenger cars", Fire Safety Journal, Vol.62, Part C, pp.272-280, November 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2013.09.010

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증