Tunnel and Underground Space (터널과지하공간)

Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering (한국암반공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Numerical Analysis on the Estimation of Shock Loss for the Ventilation of Network-type Double-deck Road Tunnel

네트워크형 복층 도로터널 환기에서의 충격 손실 평가를 위한 수치해석적 연구

  • Received : 2017.05.19
  • Accepted : 2017.06.25
  • Published : 2017.06.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

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 $30^{\circ}$ 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.

과거 도로터널 환기에 있어서 충격 손실은 설계에 반영되지 않았지만, 터널 내 네트워크형 구조로 인해 분기 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 충격 손실에 대한 3D 전산유체역학(CFD) 수치해석 연구를 수행한다. 이를 위해 복층 도로터널 표준단면을 적용한 실제 스케일 모델을 활용하여 전산 유체 역학을 수행하였고 다양한 각도와 차도폭에 대한 충격 손실 계수를 도출하여 기존의 설계 값과 비교 분석하였다. 연구 결과, 분기 구간에서는 30도의 분류 각도를 가진 모델의 충격 손실 계수가 높게 측정되었고, 합류 구간에서는 2차선으로 설계된 모델의 충격 손실 계수가 낮게 측정됨을 확인할 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)를 활용하여 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.

Keywords

References

  1. 김남영, 조종복, 김재완, 2010, 도심지 대심도 장대지하차도의 환기와 방재 대책, 대한설비공학회 동계학술발표대회논문집, pp 480-465.
  2. 박상훈, 이승준, 박요한, 김세민, 노장훈, 유용호, & 김진. 2016, 네트워크형 복층 터널 환기 시스템 설계 인자, 터널과 지하공간, 한국암반공학회지, 제26권 제1호, pp.32-45.
  3. 노장훈, 이승준, 김진. 2017, "소형차 전용 복층터널 분기부에서의 충격손실 계수 결정 연구." 터널과 지하공간 27.1 : 50-57.
  4. 이호석, 홍기혁, 최창림, 강명구, 임재범, 문홍표, 2012, 네트워크형 지하 도로터널의 분기부에서 환기효율 향상방안에 대한 실험적 연구, 한국터널지하공간학회논문집, vol. 14, no. 2, pp. 107-116.
  5. 김남영, 조종복, & 한화택, 2015, 네트워크형 지하도로 입체교차로 내의 교통환기력에 의한 환기 특성, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 27(7), 337-343. https://doi.org/10.6110/KJACR.2015.27.7.337
  6. 이창우, 김상현, 길세원, 조우철, 2009, 장대도로터널의 자연환기력 예측 사례연구, 한국터널지하공간학회 논문집, 제11권, 제4호, pp. 395-401.
  7. Zheng, Y., Thiruvengadam, M., Lan, H., & Tien, J. C, 2015, Design of push-pull system to control diesel particular matter inside a dead-end entry. International Journal of Coal Science & Technology, 2(3), 237-244. https://doi.org/10.1007/s40789-015-0076-z
  8. Hartman, H.L., Mutmansky, J.M., and Wang, Y.J., 1997, Mine Ventilation and Air Conditioning, Wiley Interscience, pp. 239-253.
  9. Anderson, J.D., 1995. Computational fluid dynamics. The basics with applications, New York: McGraw-Hil.
  10. McPherson, M.J., 1993, Subsurface Ventilation and Environmental Engineering, Chapman & Hall, pp. 241-264.
  11. Edwards, J. C, 1977, Shock loss calculations across junctions and splits (Vol. 8227), Dept. of the Interior, Bureau of Mines.
  12. T. Purushotham, B. S. Sastry and B. Samanta, 2010, Estimation of shock loss factors at shaft bottom junction using computational fluid dynamics and scale model studies, CIM Journal, Vol. 1, No. 2.
  13. Liu, C. W., & Wang, Y. J. 1987. Analysis of ventilation shock losses by finite element method. International Journal of Mining and Geological Engineering, 5(4), 377-390. https://doi.org/10.1007/BF01552752
  14. Wu, B., Yin, Y., Lin, M., Wang, L., Zeng, M., & Wang, Q. 2015. Mean pressure distributions around a circular cylinder in the branch of a T-junction with/without vanes. Applied Thermal Engineering, 88, 82-93. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.12.025
  15. Elefteriadou, Lily, Roger P. Roess, and William R. McShane. 1995, "Probabilistic nature of breakdown at freeway merge junctions." Transportation Research Record 1484:80-89.
  16. 국토교통부, 2014, 도로의 구조.시설 기준에 관한 규칙 해설 및 지침. 125-138.