네트워크형 지하도로 입체교차로 내의 교통환기력에 의한 환기 특성 :Ventilation Characteristics by Piston Effect in Underground Network Road Junctions

김남영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김남영 (국민대학교, 국민대학교 대학원)

지도교수: 한화택

발행연도: 2014

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2015

네트워크형 지하도로 입체교차로 내의 교통환기력에 의한 환기 특성

김남영 , 조종복 , 한화택 설비공학논문집 2015.07 학술저널

지하도로 입체교차로 내의 교통환기력에 의한 환기 특성

김남영 , 조종복 , 한화택 설비저널 2015.04 학술저널

2014

네트워크형 지하도로 입체교차로 내의 교통환기력에 의한 환기 특성

김남영 기계공학과 2014.01 학위논문

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대도시의 교통난 해소를 위해 네트워크 형태의 지하도로에 관한 논의가 본격적으로 이루어지고 있다. 지하도로 내의 공기환경은 평상시 차량운행으로 인한 공기의 오염농도가 설계기준 이하로 유지되어야 하고 화재 시 연기 제연에 의한 대피환경이 유지될 수 있도록 설계되어야 한다. 그를 위해서 터널 내의 교통환기력에 의한 자연환기 특성 분석이 선행되어야 하는데 지금까지 대부분의 지하도로나 터널은 1차원적인 형상을 가지므로 교통 환기력에 의한 자연환기량과 터널 내 오염농도 등의 환기특성은 비교적 간단하게 해석할 수 있었다. 그러나 입체교차로가 포함된 네트워크형 지하도로는 8개의 연결로를 통해 네 방향의 본선이 상호 연결되어 서로 간섭을 일으키므로 기존의 1차원적인 방법으로는 해석이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 네트워크형 지하도로 입체교차로의 자연환기 특성을 파악하기 위한 수치해석 알고리즘을 개발하고 이를 통해 교통환기력에 의해 발생하는 자연환기량 및 풍향, CO 농도분포 등을 분석하였다.
본선의 자연환기량은 1차원 터널에서 얻을 수 있는 결과와 동일하게 차량 주행속도가 빨라질수록 증가하며, 단면적이 넓은 본선이 좁은 본선 보다 많다.
본선의 CO 농도는 중간에 연결로가 연결되어 있지 않는 한 길이 방향으로 선형적으로 증가하며, 차량이 유출되는 접속부 하류의 CO 농도 기울기는 차량 주행속도가 저속 시에는 증가하고 고속 시에는 감소한다. 또한 차량이 유입되는 연결로가 접속된 본선의 CO 농도는 연결로에서 유입되는 CO 농도에 의해서 수직적으로 증가 또는 감소한다. 외곽연결로에서 차량이 유입되는 본선 접속부의 CO 농도는 수직적으로 낮아지는데, 그 이유는 접속된 외곽연결로로부터 상대적으로 CO 농도가 낮은 공기가 유입되기 때문이다.
연결로의 자연환기량은 연결로의 길이, 지하도로 내의 차량 대수, 차량의 주행속도 증가에 따라 증가하며, 양단이 넓은 단면적의 본선과 연결되면 자연환기량이 가장 많고 양단이 좁은 단면적의 본선과 연결되면 자연환기량이 가장 작았다. 연결로의 CO 오염농도는 본선과 마찬가지로 자연환기량이 많은 연결로가 낮게 나타냈다.
아울러, 본선에 연결된 연결로의 개수가 각각 4개 또는 2개인 대칭 형태로 배치된 입체교차로는 자연환기량도 대칭을 이루지만, 연결로의 배치된 형태가 비대칭이면 자연환기량이 불균형하게 변화하며, 삭제되는 연결로 용도가 차량의 진입 또는 진출용 여부에 따라 본선의 풍량도 감소 또는 증가하게 된다.
자연저항풍에 의해 -2.5 m/s의 역풍이 지하도로 내에 영향을 미칠 때 자연저항풍이 없는 경우 보다 자연환기량은 전반적으로 감소하며 풍량의 감소폭은 차량 주행속도 저속 시가 고속 시에 비해 더 큰 것으로 나타났다. 본선 입출구부에서의 풍향은 차량 주행속도 10 km/h인 저속 시에 역류가 발생하지 않으나, 본선 내부 일부구간에서는 역류가 발생하여 본선의 중앙부 CO 농도가 출구보다 높아진다. 기류가 역류되는 구역의 CO 농도는 역류 시작지점의 농도가 가장 낮고 차량이 진입되는 곳으로 농도 기울기가 상승한다. 그러나 차량 주행속도 20 ㎞/h 이상에서 본선의 CO 농도는 길이 방향으로 선형적으로 증가한다.
따라서, 네트워크형 지하도로 입체교차로 계획시 자동차 배기가스가 연결로를 통해 지하도로내에서 순환하며 외부로 배출되지 않아 오염농도가 축적되는 경우가 있으므로 Case 별로 면밀한 검토가 필요하다

Ventilation Characteristics by Piston Effect in Underground Network Road Junctions

by Nam-Young Kim

Department of Mechanical Engineering
Graduate School, Kookmin University
Seoul, Korea

A network underground road is the one of solutions to relieve downtown traffic congestion. The underground road should be designed to keep the pollution level inside of tunnel below construction standards and to have a smoke control function. Many underground roads and tunnels which have been constructed using one-dimensional systems allow us to analyze natural ventilation by traffic flow and pollution level easily. However, it is not possible to analyze ventilation and pollution level in two-dimensional network underground roads using the same method as one-dimensional road because four main lines are connected through ramp. In this study, a numerical analysis algorithm to understand the characteristics of ventilation in network underground roads in a metropolitan city was developed and natural ventilation by piston effect and CO pollution concentration was also examined.
In most of the underground road in a metropolitan city, a transverse system which can exhaust the product of combustion immediately following fire is used, but the supply duct and exhaust duct intersect in connection between the main lines and ramp in junction, which makes construction and maintenance important. In semi-transverse and longitudinal cases, the structure of the duct in the junction could be constructed simply but it has to be verified that the intended natural ventilation and wind direction work well.
Here, the natural ventilation airflow rate and CO concentration were analyzed by variables such as the number of ramps, the volume of traffic, vehicle speed and external resistance wind in the network underground road. n.TAQS was modified to analyze the natural ventilation to became suitable for underground network road and the result was compared with that from FTNS to confirm the algorithm.
According to the numerical result, the natural ventilation of main lines is proportional to the vehicle speed of the one-dimensional tunnel and is higher in larger cross section area. This is because the resistance is in inverse proportion to the square of wind speed, so the reduced resistance from reduced wind speed is higher than piston effect by blockage ratio.
The CO concentration in underground main lines increased linearly lengthwise without ramp and the slope of the graph of CO concentration where vehicles go out is higher when vehicle speed is lower. Also, the increase and decrease of CO concentration occurred vertically in connection of main lines where vehicles enter.
The wind speed of natural ventilation in ramp increased with the length of ramp, the number of vehicles in underground road, vehicle speed and the exit area of connecting main lines. CO concentration is inverse to natural ventilation as the main lines. Also, the airflow rate is symmetrical when the number of ramps is 2 or 4 but natural ventilation is irregular with asymmetrical ramp number and the airflow rate of main lines can be changed as the removed ramp is in- or off-ramp.
The airflow rate decreased when ?2.5 m/s headwind affected the underground road and the decline was greater with vehicle speed. The wind direction in entry and exit of the main lines are forward with 10 km/h vehicle speed but a backflow occurred in the middle so CO concentration is higher than that in entry and exit and it is the highest in the starting point of the backflow. However, when vehicle speed is more than 20 km/h, CO concentration in main lane linearly increased lengthwise.
This study is significant as the analysis method of ventilation for two-dimensional underground network roads was provided and characteristics of natural ventilation were analyzed using this method. This method and results could be useful to understand ventilation and pollution in various types of ramps. Also, it could provide the basis for construction of underground network roads, smoke extraction systems and conditions civil structures.

1. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 6
2. 이론적 배경 8
2.1 소요환기량 8
2.2 환기력 해석 20
2.3 관로망 유동해석 25
3. 네트워크 모델링 26
3.1 지하입체교차로 모델 26
3.2 해석 알고리즘 개발 28
3.3 프로그램의 검증 33
4. 수치해석 대상 38
4.1 입체교차로의 선정 38
4.2 입체교차로 모델 Case 42
4.3 교통량 설정 45
4.4 지하도로 제원 47
5. 해석결과 및 분석 58
5.1 기본형 입체교차로의 경우 (Case 1) 60
5.2 연결로가 일부 제거된 경우 (Case 2, 3, 4, 5) 66
5.3 Case별 비교 분석 (Case 1, 2, 3, 4, 5) 77
5.4 자연풍의 영향 80
6. 결론 87

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