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문제 정의
- 대배기구방식을 적용하는 경우에는 개방되는 배기구의 위치 및 배기구의 개수가 배연에 영향을 미치므로 본 연구에서는 터널내 풍속이존재하는 경우와 존재하지 않는 경우에 배기구의 위치 및 개방되는 배기구의 개수를 달리하여 배연풍량에 따른 연기의 이동거리 특성을 검토하였다.
- 따라서 본 연구에서는 반횡류방식에서 대배기구 환기방식을 도입한 도로터널에서 화재발생시 최적배연량산정을 위해 화재시 터널내 풍속, 배연풍량을 변수로 하여 이들 인자가 연기의 이동특성에 미치는 영향을 연기의 이동거리 측면에서 축소모형을 통한 가시화실험을 통해 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 대배기 횡류환기방식의 최적배연량 산정을 위해서 모형실험장치를 제작하여 연기의 가시화를 통해서 연기이동거리에 대한 검토를 수행하였다. 모형 터널은 실제터널의 약 1/41의 축소모형으로 총 길이 16 m의 반횡류식 배기방식의 터널이며, Fig.
제안 방법
- 모형차량을 통해서 연기를 공급하면 초기에는 연기의 이동거리가 변화하여 연기의 도달지점이 점차 증가하며, 시간이 경과하면 연기의 이동거리의 변화가 더 이상 발생하지 않는데, 이때 레이져 조명을 소정의 섹션에 조사하고 가시화를 시작하였다. 가시화를 위한 레이저는 500 mW의 다이오드 레이저를 사용하였으며 원통형 렌즈를 이용하여 2차원 단면의 빔을 조사하였다. 연기의 유동이 일정한 상태가 되었을 때 CCD 카메라를 이용하여 빔이 조사된 터널섹션 부분의 화상을 초당 60 프레임씩 약 15초간 획득하였다.
- 2에 나타내었다. 또한 터널내 풍속은 0, 1, 1,25, 2.5 m/s로 하였으며, 배연풍량은 식(1)에 나타내었으며 부가풍량 기준인 Vc를 0.0～3.0 m/s로 변화시켜 실험하였다.
- 터널 입구측의 유량 공급장치에 의해서 터널내 풍속을 소정의 풍속이 되도록 유량을 공급한 상태(터널내 풍속이 0 인 조건은 유량공급장치를 제거함)에서 각 섹션의 배기풍량을 조절하여 소정의 배기풍량으로 설정하고 유량공급이 안정된 상태에서 연기를 공급하였다. 모형차량을 통해서 연기를 공급하면 초기에는 연기의 이동거리가 변화하여 연기의 도달지점이 점차 증가하며, 시간이 경과하면 연기의 이동거리의 변화가 더 이상 발생하지 않는데, 이때 레이져 조명을 소정의 섹션에 조사하고 가시화를 시작하였다. 가시화를 위한 레이저는 500 mW의 다이오드 레이저를 사용하였으며 원통형 렌즈를 이용하여 2차원 단면의 빔을 조사하였다.
- 본 실험에서는 터널내 화재시 횡류환기 방식의 최적 배연량 산정을 위해 대배기구 방식에 대한 배연특성을 연기의 이동거리를 측면에서 실험·분석하였다.
- 공급되는 연기량은 80 ㎥/s(화재강도 20 MW에서 연기발생량)을 기준으로 하였다. 연기 거동의 가시화는 레이저를 광원으로 사용하여 2차원 단면으로 조사 하였으며, 터널 정면에서 CCD 카메라를 이용하여 1초당 60 프레임의 화상을 획득하였다.
- 가시화를 위한 레이저는 500 mW의 다이오드 레이저를 사용하였으며 원통형 렌즈를 이용하여 2차원 단면의 빔을 조사하였다. 연기의 유동이 일정한 상태가 되었을 때 CCD 카메라를 이용하여 빔이 조사된 터널섹션 부분의 화상을 초당 60 프레임씩 약 15초간 획득하였다. 촬영된 화상은 컴퓨터의 하드디스크에 저장하고 연기의 이동 특성을 검토 하여 배연풍량 및 터널내 풍속을 변수로 하여 배기구의 개방위치에 따른 가시화를 수행하였으며 배기구의 위치에 따라 case를 구분하여 Table.
- 화재시 발생되는 연기의 모사를 위해 연기발생장치를 사용하였으며 이 장치는 열풍기 및 파이프히터에 의해서 연기를 약 400℃정도까지 가열하고 가열된 공기에 파라핀 오일을 분사하여 파라핀오일의 증발에 의해서 연기가 발생할 수 있도록 제작하였다. 열풍기에서 공급되는 연기의 온도는 연기발생기 출구에 RTD타입의 온도센서를 설치하여 자동조절될 수 있도록 하였으며, 공급되는 연기는 버스를 대상으로 제작한 화원 모형을 통해서 터널내부로 공급되며, 링블로워에 의해서 연기를 공급할 수 있도록 하였으며, 공급되는 유량은 인버터에 의해서 링블러워의 회전수를 제어하여 조절하였으며 유량계 및 유량조절밸브에 의해서 조절할 수 있도록 하였다.
- 연기의 유동이 일정한 상태가 되었을 때 CCD 카메라를 이용하여 빔이 조사된 터널섹션 부분의 화상을 초당 60 프레임씩 약 15초간 획득하였다. 촬영된 화상은 컴퓨터의 하드디스크에 저장하고 연기의 이동 특성을 검토 하여 배연풍량 및 터널내 풍속을 변수로 하여 배기구의 개방위치에 따른 가시화를 수행하였으며 배기구의 위치에 따라 case를 구분하여 Table.2에 나타내었다. 또한 터널내 풍속은 0, 1, 1,25, 2.
- 6에 나타냈다. 터널 내 풍속이 존재하는 경우 역류(back layer)는 존재 하지 않기 때문에 화원 하류방향 배기구만 개방하고 상류방향의 배기구는 폐쇄하여 하류방향으로 이동하는 연기를 배연할 수 있도록 하였다.
- 터널 입구측의 유량 공급장치에 의해서 터널내 풍속을 소정의 풍속이 되도록 유량을 공급한 상태(터널내 풍속이 0 인 조건은 유량공급장치를 제거함)에서 각 섹션의 배기풍량을 조절하여 소정의 배기풍량으로 설정하고 유량공급이 안정된 상태에서 연기를 공급하였다. 모형차량을 통해서 연기를 공급하면 초기에는 연기의 이동거리가 변화하여 연기의 도달지점이 점차 증가하며, 시간이 경과하면 연기의 이동거리의 변화가 더 이상 발생하지 않는데, 이때 레이져 조명을 소정의 섹션에 조사하고 가시화를 시작하였다.
- 터널 천정덕트는 대배기 방식으로 제작하였으며 배기구의 크기는 73×97 mm 크기의 배기구를 각 섹션마다 1개씩 설치하였다.
- 화점주변의 터널의 천정부는 열에 의한 변형을 막기 위하여 강판재질로 제작하였으며 천정의 중심부는 레이저 조명이 투과할 수 있도록 슬릿을 만들고 투명아크릴로 제작하였다. 터널에서 배기되는 배기풍량을 균일하게 유지하기 위해서 터널의 천정상부는 각 섹션별로 인접한 섹션으로 부터 공기의 흐름을 차단할 수 있는 차단판을 설치하였으며, 2개의 섹션마다 공기흡입을 위한 링블로워를 설치하고 각각의 유로에 유량계 및 유량조절밸브를 설치하여 배기풍량을 조절할 수 있도록 하였다.
- 화재시 발생되는 연기의 모사를 위해 연기발생장치를 사용하였으며 이 장치는 열풍기 및 파이프히터에 의해서 연기를 약 400℃정도까지 가열하고 가열된 공기에 파라핀 오일을 분사하여 파라핀오일의 증발에 의해서 연기가 발생할 수 있도록 제작하였다. 열풍기에서 공급되는 연기의 온도는 연기발생기 출구에 RTD타입의 온도센서를 설치하여 자동조절될 수 있도록 하였으며, 공급되는 연기는 버스를 대상으로 제작한 화원 모형을 통해서 터널내부로 공급되며, 링블로워에 의해서 연기를 공급할 수 있도록 하였으며, 공급되는 유량은 인버터에 의해서 링블러워의 회전수를 제어하여 조절하였으며 유량계 및 유량조절밸브에 의해서 조절할 수 있도록 하였다.
- 터널 천정덕트는 대배기 방식으로 제작하였으며 배기구의 크기는 73×97 mm 크기의 배기구를 각 섹션마다 1개씩 설치하였다. 화점주변의 터널의 천정부는 열에 의한 변형을 막기 위하여 강판재질로 제작하였으며 천정의 중심부는 레이저 조명이 투과할 수 있도록 슬릿을 만들고 투명아크릴로 제작하였다. 터널에서 배기되는 배기풍량을 균일하게 유지하기 위해서 터널의 천정상부는 각 섹션별로 인접한 섹션으로 부터 공기의 흐름을 차단할 수 있는 차단판을 설치하였으며, 2개의 섹션마다 공기흡입을 위한 링블로워를 설치하고 각각의 유로에 유량계 및 유량조절밸브를 설치하여 배기풍량을 조절할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 대배기 횡류환기방식의 최적배연량 산정을 위해서 모형실험장치를 제작하여 연기의 가시화를 통해서 연기이동거리에 대한 검토를 수행하였다. 모형 터널은 실제터널의 약 1/41의 축소모형으로 총 길이 16 m의 반횡류식 배기방식의 터널이며, Fig. 1에 본 연구에서 사용된 모형터널의 단면도를 Table. 1에 모형실험장치제원을 나타내었다.
- 모형터널의 본체는 강화 아크릴로 제작 하였으며, 1 m 길이의 섹션을 연결하여 터널을 구성하였다. 터널 천정덕트는 대배기 방식으로 제작하였으며 배기구의 크기는 73×97 mm 크기의 배기구를 각 섹션마다 1개씩 설치하였다.
- 화원의 모형은 터널본체와 같이 실제버스를 1/41로 축소하여 6.25×300 mm 크기로 제작하였다.
성능/효과
- (1) 터널내 풍속이 존재하지 않는 경우 배연풍량이 증가하면 연기의 이동거리가 감소하며, 화점에서 근접한 지점의 배기구를 개방하는 것이 연기이동을 제한하는데 효과적이며 2개소의 배기구를 개방하는 경우가 1개소의 배기구를 개방하는 경우 보다 배연이 효과적으로 이루어지며, 화점에 근접한 배기구를 개방하는 것이 연기의 이동거리를 제한하는데 효과적인 것으로 평가된다. 배연풍량은 부가풍량 없이 연기발생량을 기준으로 하여도 연기의 이동거리을 충분히 제한할 수 있는 것으로 평가된다.
- (2) 터널내 풍속이 존재하는 경우 동일 배연풍량에서 연기의 이동거리가 급격하게 증가한다. 부가풍량 기준 Vc=1.
- (3) 최적배연량에 대한 평가기준을 연기의 이동거리를 피난연락갱 간격인 250 m 이내로 하고 일반적으로 터널설계 시 역풍으로 고려하는 풍속인 2.5 m/s를 터널내 풍속으로 하는 경우, 부가풍량기준 Vc는 2.0 m/s이상이 되어야 하는 것으로 나타났다.
- 0 m/s이상 에서는 배기구의 위치에 의존하는 것을 알 수 있다. 3개의 배기구를 개방한 case 3은 부가풍량기준인 Vc가 2 m/s이상이 되면 연기의 이동을 배기구의 위치까지 제한할 수 있는 것으로 나타났다.
- 3개의 배기구를 개방한 경우 배연풍량에 따른 연기의 이동거리는 2개의 배기구를 개방하는 경우와 거의 비슷한 경향을 보이고 있으며, 이 경우에도 Vc가 3 m/s일 때 연기의 이동을 배기구 주변으로 제한 할 수 있는 것으로 나타났다.
- 따라서 2개의 배기구를 개방하는 경우 연기의 이동거리는 배기구가 화재지점에 근접할수록 연기의 이동거리를 제한하는데 효과적인 것으로 평가 된다. case 3, 즉 3개소의 배기구를 개방하는 경우 Vc = 1.0 m/s정도에서 최하류에 위치한 배기구 부근에서 연기의 이동을 제한할 수 있는 것으로 나타났다.
- 60, 140, 220 m지점의 배기구 3개소를 개방하는 경우 2개소의 배기구를 개방하는 경우와 마찬가지로 연기의 이동은 부가풍량이 없는 경우(Vc=0)에도 흐름방향으로 최하류에 있는 배기구를 초과하지 않는 것으로 나타나고 있다. 따라서 대배기구방식을 적용하는 경우에는 터널내 풍속이 존재하지 않는 경우에 배연풍량은 부가풍량 없이 연기발생량을 기준으로 하여도 연기의 이동거리을 충분히 제한 할 수 있는 것으로 평가되며, 2개소이상의 배기구를 개방하면 부가풍량이 없는 경우에도 연기의 이동거리를 최하류의 배기구로 제한할 수 있는 것으로 나타났으며, 배기구간의 거리를 고려할 때 화재지점에 근접한 2개소의 배기구를 개방하는 것이 연기의 이동을 제한하는데 가장 효과적인 것으로 평가된다.
- 5 m/s에서는 연기의 이동거리가 배기구 지점에 제한되는 것으로 나타나고 있다. 따라서, 1개의 배기구만을 개방하는 경우에는 화점에서 근접한 지점의 배기구를 개방하는 것이 연기이동을 제한하는데 효과적임을 알 수 있다.
- 터널내 풍속이 2.5m/s인 경우에 부가풍량 기준 Vc에 따른 연기의 이동거리는 60과 140 m지점의 2개 배기구를 개방하는 경우가 연기이동을 제한하는데 가장 효과적인 것으로 나타났다. 이를 최적으로 조건으로 하여 배연풍량 평가기준으로 피난 연락갱 설치간격 이내로 연기의 이동을 제한하기 위해서는 부가풍량기준 Vc=2.
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