방음터널 벽면마찰손실계수 산정에 관한 수치해석적 연구
A numerical analysis on the estimation of wall friction loss coefficient in soundproof tunnel
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초록
현재 방음터널에서도 일반 도로터널에 적용되는 벽면마찰손실계수(0.025)가 환기 및 제연 설계의 중요한 인자로 사용 되고 있다. 그러나 방음터널은 H형강의 돌출 구조로 인해 벽면 유동 특성이 달라지므로, 방음터널 벽체의 구조적 특성을고려한 적정한 벽면마찰손실계수에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 일정 간격으로 H형강이 설치된 방음터널의 벽면마찰손실계수를 산정하기 위하여, 축소 모형 방음터널에 범용 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램을 적용하여 산정식을 도출하였으며, 이를 실제 크기(full-scale) 방음터널 해석 모델의 결과와 비교하였다. H형강이 설치된 수치해석 모델의 결과, 풍속 변화는 벽면마찰손실계수에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, H형강의 설치 간격이 증가할수록 계수는 선형적으로 감소하고, H형강의 높이가 증가할수록 선형적으로 증가하였다. 또한 H형강을 포함한 원형관 축소 해석 모델을 이용하여 벽면마찰손실계수를 산정하기 위한 관계식을 제시하였으며, 이를 방음터널 해석 모델에서 얻어진 결과와 비교하여 적용성을 검토한 결과, 일치함을 확인할 수 있었다.
Abstract
Currently, the wall friction loss coefficient (0.025) applied to general road tunnels, which is an important factor in the design of ventilation and smoke control systems, is also used for soundproof tunnels. However, because soundproof tunnels have different wall flow characteristics due to the protruding structure of H-shaped steel, it is necessary to study an appropriate wall friction loss coefficient that considers the structural characteristics of soundproof tunnel walls. In this study, to determine the wall friction loss coefficient for a soundproof tunnel with H-shaped steel installed at regular intervals, a calculation formula was derived using a general-purpose computational fluid dynamics (CFD) program applied to a reduced-scale model of a soundproof tunnel. The results were then compared with those from a full-scale soundproof tunnel analysis model. The analysis results for the numerical model with H-shaped steel showed that wind speed had little effect on the wall friction loss coefficient. The coefficient decreased linearly as the installation spacing increased, and increased linearly as the steel height increased. Furthermore, a relationship equation for obtaining the wall friction loss coefficient was developed using a reduced-scale analytical model of a circular pipe containing H-shaped steel. The applicability of the equation was examined by comparing it with the results from the soundproof tunnel model, and consistency between the two was confirmed.