Smoke Temperature Characteristics in Longitudinally ventilated mountain Tunnels featuring on Lateral-opening Vertical Shaft
본 연구는 다양한 화재 규모와 환기 조건 하에서 측면 개구형 수직 갱도가 있는 종방향 환기 산악 터널 내 연기 온도 분포를 실험적으로 조사하며, 궁극적으로 화재 안전 시스템 설계 개선을 위해 최대 과잉 온도 및 종방향 온도를 예측하는 경험식을 개발한다.
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산악 터널 깊은 곳에서 화재가 발생할 때, 가장 큰 위험은 종종 불꽃 그 자체보다는 뒤따라오는 두껍고 초고온의 연기로부터 옵니다. 이 연기는 위로 솟구쳐 천장에 부딪힌 뒤 터널의 길이를 따라 빠르게 퍼져나가며, 관리 가능한 사고를 탈출하려는 사람이나 진입하려는 구조대에게 치명적인 함정으로 변모시킵니다. 이러한 터널을 안전하게 유지하기 위해 엔지니어들은 한쪽 끝에서 신선한 공기를 밀어 넣고 반대편에서 연기를 뽑아내는 환기 시스템에 의존합니다. 그러나 많은 현대식 산악 터널은 양 끝에 있는 단순한 팬만으로는 환기하기에는 너무 깁니다. 대신, 이 터널들은 지표면까지 닿는 높은 수직 샤프트(수직 통로)를 갖추고 있으며, 이는 수평 덕트(통로)를 통해 본 터널과 연결됩니다. 이 샤프트는 뜨거운 공기가 자연스럽게 상승하는 성질을 이용하여 연기를 밖으로 끌어올리는 거대한 굴뚝 역할을 합니다. 하지만 이러한 샤프트 근처에서 화재가 발생하면, 샤프트로 빨려 올라가는 연기와 터널을 따라 밀려 들어오는 공기 사이의 상호작용이 복잡하고 예측 불가능한 흐름을 만들어냅니다. 이러한 특정 조건에서 연기가 얼마나 뜨거워지는지를 정확히 이해하는 것은 매우 중요한데, 온도는 감지기가 경보를 울리는 속도와 구조물이 열을 견디며 파손되기 전까지 버틸 수 있는 시간을 결정하기 때문입니다.
중국의 대학 연구진은 수직 샤프트가 설치된 산악 터널의 10분의 1 축소 모델을 제작하여 이 숨겨진 거동을 지도화하기 위해 연구를 진행했습니다. 실험실에서 그들은 길이가 16.5미터인 터널을 건설하고, 측면 덕트로 연결된 4.2미터 높이의 수직 샤프트를 설치했습니다. 그들은 화재 발생 지점을 연결부의 상류에 배치한 후, 다양한 크기의 정사각형 트레이에 디젤 연료를 담아 태움으로써 서로 다른 화재 강도를 시뮬레이션했습니다. 실제 환경을 모사하기 위해, 그들은 강력한 팬을 사용하여 터널을 통과하는 일정한 기류를 만들었으며, 동시에 기계 장치를 사용하여 수직 샤프트로 빨아올리는 공기의 속도를 다르게 조절했습니다. 또한 수십 개의 미세한 온도 센서를 터널 천장 바로 아래에 배치하여, 팬의 속도와 화재의 크기를 조절함에 따라 열이 어떻게 이동하고 변화하는지를 정확하게 기록했습니다.
실험 결과, 두 가지 환기력이 함께 작용할 때 연기가 어떻게 움직이는지에 대한 명확한 패턴이 밝혀졌습니다. 샤프트로 연기를 빨아올리는 기계식 팬이 작동할 때, 천장 바로 아래의 연기 온도는 낮아졌습니다. 이러한 냉각 효과는 팬의 속도가 증가함에 따라 처음에는 빠르게 나타났으나, 이후 냉각 속도가 느려졌는데, 이는 환기 속도를 아무리 높여도 연기를 식히는 데 한계가 있음을 시사합니다. 화재의 크기 또한 중요한 역할을 했지만, 이는 특정 구역에서만 그러했습니다. 화재 발생 지점 근처에서는 화재 규모가 커질수록 온도가 급격히 상승했습니다. 그러나 연기가 화염으로부터 멀리 이동할수록, 작은 화재와 큰 화재 사이의 온도 차이는 눈에 띄게 줄어들었습니다. 이는 뜨거운 연기의 강력한 부력이 화염 바로 위에서 가장 강하게 작용하지만, 연기가 터널을 따라 이동하면서 더 차가운 공기와 섞이고 강렬한 열에너지를 잃기 때문입니다.
연구진은 터널을 따라 흐르는 공기의 속도가 연기의 온도를 제어하는 데 있어 가장 지배적인 요인임을 발견했습니다. 공기가 느리게 움직일 때 연기는 머물러 있으며 뜨거운 상태를 유지하는 경향이 있었습니다. 공기 속도가 빨라지면 연기가 더 효과적으로 밀려 나갔고 온도는 현저히 떨어졌습니다 배기 샤프트로 연기를 지나치게 빠르게 밀어내면, 연기가 환기 시스템의 통제를 벗어나 터널 아래쪽으로 더 멀리 퍼질 수 있습니다. 이 발견은 섬세한 균형의 중요성을 강조합니다. 즉, 환기 시스템은 연기를 제거할 수 있을 만큼 강력해야 하지만, 연기를 배출 지점 너로 불어 넘겨버릴 정도로 너무 강해서도 안 됩니다.
이러한 연구 결과를 실제 안전 분야에 활용하기 위해, 연구팀은 이와 같은 유형의 터널에서 화재가 도달할 수 있는 최고 온도를 예측하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 실험 데이터와 열 및 공기의 이동에 관한 물리적 원리를 결합하여 화재의 크기, 터널을 따라 흐르는 공기의 속도, 그리고 샤프트로 빨아올리는 공기의 속도를 모두 고려한 공식을 만들었습니다. 이 공식은 엔지니어들이 매번 새로운 모델을 구축할 필요 없이 특정 터널 설계에 따른 최고 온도를 추정할 수 있게 해줍니다. 연구 결과에 따르면, 수직 샤프트가 있는 터널의 경우 화재 감지기의 배치와 환기 시스템의 설계가 팬의 특정 속도와 예상되는 화재 규모에 맞춰 정밀하게 조정되어야 합니다. 열이 화염으로부터 멀어짐에 따라 어떻게 감소하는지를 정확히 이해함으로써, 안전 시스템은 사람들에게 더 빨리 경고를 보내고 탈출 경로를 치명적인 열기로부터 깨끗하게 유지할 수 있습니다.
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