Effect of lateral mechanical smoke exhaust on smoke backflow behavior and temperature profile in a mountain tunnel: A numerical investigation and analysis

기술 요약: 산악 터널 내 측면 기계식 제연이 연기 역류 거동 및 온도 프로파일에 미치는 영향

문제 제로(Problem Statement)
산악 터널은 지질학적 제약이나 기존 구조물로 인해 직접적인 수직 샤프트 건설이 불가능할 경우, 환기 및 연기 배출을 용이하게 하기 위해 횡단 채널로 연결된 측면 개방형 샤프트를 활용하는 경우가 많다. 일반적인 단일 관로 터널이나 천장 설치형 중앙 집중식 배출 시스템에서의 연기 이동에 관한 광범위한 연구는 존재하지만, 측면 개방형 샤프트가 있는 터널에서의 특유한 연기 거동에 대해서는 상당한 지식 공백이 존재한다. 기존 연구들은 주로 종방향 환기나 천장 추출 방식에 집중해 왔으며, 이로 인해 측면 샤프트 구성에서 나타나는 비대칭 유동장, 온도 분포, 그리고 연기 후층 형성(back-layering) 특성은 충분히 이해되지 않았다. 본 연구는 측다면 기계식 제연이 전통적인 천장 추출 방식과 비교하여 연기 이동, 온도 감쇄 및 역류 길이에 어떻게 영향을 미치는지 정량화해야 할 필요성을 다룬다.

연구 방법론(Methodology)
본 연구는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 화재 역학 시뮬레이터(FDS)를 이용한 수치적 조사를 수행하였다. 계산 모델은 심천(Shenzhen)의 한 터널을 조사한 데이터를 기반으로 하며, 주 터널(길이 165m, 폭 12m, 높이 6.6m)이 횡단 채널(12m × 7.5m × 4.2m) 및 수직 샤프트(높이 42m)와 연결된 구조이다.

주요 시뮬레이션 매개변수는 다음과 같다:

• 화재 시나리오: 다양한 차량 화재 규모를 나타내기 위해 5가지 열방출률(HRR: 3, 5, 10, 15, 20 MW)을 시뮬레이션하였다.
• 배출 조건: 기계식 제연 속도를 3 m/s에서 5 m/s 사이에서 변화시켰다.
• 격자 독립성: 격자 민감도 분석을 실시하여, 계산 효율성과 온도 예측 정확도 사이의 균형을 맞추기 위해 0.25 m의 격자 크기를 결정하였다.
• 비교 분석: 측면 연결의 효과를 분리하기 위해, 동일한 기하학적 치수를 가진 가상의 천장 개방형 샤프트와 측면 개방형 샤프트의 성능을 비교하였다.

주요 기여(Key Contributions)

1. 비대칭성 식별: 본 연구는 천장 추출 시스템에서 관찰되는 축대칭 유동과 대조되는, 측면 개방형 샤프트에 의해 발생하는 독특한 연기 유동의 비대칭성을 규명한다.
2. 정량적 모델링: 다음을 예측하는 두 가지 경험적 모델을 개발하였다:
   • 화원 상류의 종방향 온도 감쇄.
   • 측면 기계식 제연 조건에서의 연기 후층 형성 길이.
3. 메커니즘 규명: 횡단 채널 내에서의 경계층 박리 현상과 이것이 온도 분포 및 연기 축적에 미치는 영향을 명확히 한다.

결과 및 분석(Results and Analysis)

• 연기 유동 및 온도 비대칭성: 대칭적인 온도 프로파일을 생성하는 천장 추출과 달리, 측면 개방형 샤프트는 매우 비대칭적인 유동장을 생성한다. 높은 난류 운동 에너지로 인해 샤프트 측의 온도 구배는 반대편보다 훨씬 가파르다. 횡단 채널 내에서는 경계층 박리가 발생하여, 한쪽에는 연기가 축적되는 반면 다른 쪽은 저온 구역으로 남게 된다. 축적되는 측은 연소 강도와 배출 속도 사이의 상호작용에 따라 결정된다. 높은 배출 속도와 낮은 열방출률의 조합은 채널 좌측에 고온 구역을 집중시키는 경향이 있는 반면, 높은 열방출률과 낮은 배출 속도의 조합은 고온 구역을 우측으로 이동시킨다.

• 종방향 온도 감쇄: 연구 결과, 종방향 온도 감쇄는 열방출률보다는 기계식 제연 속도에 의해 주로 지배된다는 것이 밝혀졌다. 무차원 종방향 온도는 지수적 감쇄 함수를 따른다. 감쇄 계수는 무차원 기계식 제연 속도와 상관관계가 있었으며, 이는 배출 속도가 감쇄 매개변수와 선형 관계에 있음을 보여준다. 감쇄 계수의 중요도 순위는 $t > A > y_0$로 결정되었다. 이러한 발견을 바탕으로 온도 분포를 예측하기 위한 경험적 모델이 공식화되었다.

• 연기 후층 형성 길이: 연기 후층 형성 길이(연기가 종방향 바람을 거슬러 상류로 이동하는 거리)는 기계식 제환 속도가 증가함에 따라 감소한다. 이는 높은 배출 속도가 생성하는 높은 동압이 부력에 의한 연기 전면(front)에 저항하기 때문이다. 반대로, 높은 열방출률은 열적 부력을 증가시켜 더 긴 후층 형성 길이를 초래한다. 본 연구는 측면 샤프트의 영향을 정량화하기 위해 유도된 종방향 속도를 도입하였으며, 측면 추출의 특수한 역학을 고려하여 보정 계수($\lambda = 3.14$)를 포함한 수정된 연기 후층 형성 길이 예측 상관식을 도출하였다.

의의 및 주장(Significance and Claims)
저자들은 본 연구가 측면 개방형 샤프트를 갖춘 산악 터널의 환기 및 제연 시스템 설계에 중요한 참고 자료를 제공한다고 주장한다. 측면 및 천장 추출 모드 간의 연기 이동 차이를 입증함으로써, 본 연구는 측면 시스템이 수평 통로의 저항을 극복하고 발생하는 비대칭 온도장을 관리하기 위해 더 높은 기계적 배출 용량을 필요로 할 수 있음을 강조한다. 개발된 온도 감쇄 및 후층 형성 길이의 경험적 모델은 엔지니어가 화재 위험을 평가하고 복잡한 터널 기하구조에 최적화된 안전 설계를 수행하는 데 실질적인 도구를 제공한다. 결론적으로, 이러한 특유의 유동 거동을 이해하는 것은 현대 산악 터널 인프라의 효과적인 화재 예방 및 제어를 위해 필수적이다.