네트워크형 복층 도로터널 환기에서의 충격 손실 평가를 위한 수치해석적 연구
Numerical Analysis on the Estimation of Shock Loss for the Ventilation of Network-type Double-deck Road Tunnel
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초록
과거 도로터널 환기에 있어서 충격 손실은 설계에 반영되지 않았지만, 터널 내 네트워크형 구조로 인해분기･합류부가 존재하는 복층 도로터널에서는 충격 손실에 의한 압력 손실이 크게 발생할 것이다. 이에 본 연구에서는 네트워크형 구조를 가지는 복층 도로터널 최적 환기 설계를 위하여 분기･합류 지점에서 발생하는 충격손실에 대한 3D 전산유체역학(CFD) 수치해석 연구를 수행한다. 이를 위해 복층 도로터널 표준단면을 적용한실제 스케일 모델을 활용하여 전산 유체 역학을 수행하였고 다양한 각도와 차도폭에 대한 충격 손실 계수를도출하여 기존의 설계 값과 비교･분석하였다. 연구 결과, 분기 구간에서는 30도의 분류 각도를 가진 모델의충격 손실 계수가 높게 측정되었고, 합류 구간에서는 2차선으로 설계된 모델의 충격 손실 계수가 낮게 측정됨을확인할 수 있었다. 따라서 분기･합류 각도와 차도폭이 충격 손실 산정에 있어서 중요한 설계 요소가 될 수 있으므로 환기기 용량 산정에 있어서 정확한 설계 인자를 제시할 것으로 판단된다. 본 연구는 3D 전산유체역학(CFD)를활용하여 확폭 교차 유･무에 따른 분기･합류 지점에서의 충격 손실 계수를 도출하고, ASHRAE 설계 값과 결과를 비교 분석하였다. 확폭 구간이 반영되지 않은 모델은 ASHRAE 값에 비해 최대 3배의 충격 손실 값을 확인하였고, 확폭 구간이 반영된 모델은 최대 2배의 값을 확인할 수 있었다.
Abstract
Shock loss was not applied for the tunnel ventilation of road tunnel in the past. However, pressure losses due to the shock loss can be significant in network double-deck road tunnel in which combining and separating road structures exist. For the optimum ventilation design of network double-deck road tunnel, this study conducted 3D CFD numerical analysis for the shock loss at the combining and separating flows. The CFD model was made with the real-scale model that was the standard section of double-deck road tunnel. The shock loss coefficient of various combining and separating angles and road width was obtained and compared to the existing design values. As a result of the comparison, the shock loss coefficient of the 30˚ separating flow model was higher and that of the two-lane combining flow model was lower. Since the combining and separating angles and road width can be important for the design of shock loss estimation, it is considered that this study can provide the accurate design factors for the calculation of ventilation system capacity. In addition, this study conducted 3D CFD analysis in order to calculate the shock loss coefficient of both combining and separating flows at flared intersection, and the result was compared with the design values of ASHRAE. The model that was not widened at the intersection showed three times higher at the most, and the other model that was widened at the intersection resulted two times higher shock loss coefficients.
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