헬륨 공기 혼합모델을 이용한 축소 모형터널 화재연구

초록

오늘날의 지하철은 정시성, 쾌속성, 안전성 등에서 다른 기타 운송수단보다 우수하고 대량수송이 가능하며, 요즘 화재가 되고 있는 그린에너지 정책과 맞물리며 일상생활에서 그 역할이 증대되는 실정이다. 이에 따라 그 안정성에 대한 요구가 증대되고 있으며, 특히 대구지하철 중앙로역사 화재사고를 기점으로 화재에 의한 안정성에 대한 연구가 각 주요기관이나 대학을 통하여 진행되고 있다. 본 연구는 이러한 사회적 흐름에 따라 지하철 화재에 관한 연구방법 제시하는데 그 목적이 있으며, 특히 전동차가 가장 많은 시간동안 위치하게 되는 본선터널화재에 대한 연구를 진행하였다. 최근 터널화재실험의 경우 모형터널을 이용한 화재실험과, 실제 건축된 터널에서의 화재실험, 그리고 수치해석을 통한 화재해석에 의한 방법으로 주로 연구되고 있다. 이러한 방법들 중 실제터널에서의 화재실험이 가장 좋은 방법이지만, 이를 위해서는 많은 인적/물적 자원이 소요되고 반복적인 실험이 어려운 일회성 실험으로 이루어지며, 다양한 화재상황에 대한 적용이 어려운 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 Vantelon 등 [1]은 3m 길이의 축소모형을 제작하여 화재발생시 연기 거동에 관한 연구를 수행하였으며, Saito 등 [2]은 0.3m*0.3m*21.6m 크기의 풍동을 이용하여 제연장치에 의한 화재거동 현상을 연구하였다. 이러한 실험을 통해 얻어진 데이터는 수치해석을 통하여 검증 및 보완이 이루어진다. 모형터널에 의한 실험 방법은 사용되어진 축소비나 화원의 크기 및 종류, 또는 터널의 모양, 제연장치의 위치 및 방법에 따라 다양하게 나눌 수 있다. 본 연구에서는 화원의 종류를 일반적으로 사용되는 기체나 액체연료의 연소를 통한 방법이 아닌 연소에 의한 열 부력을 헬륨의 부력으로 대체 하여 연구를 진행하였다. 헬륨-공기 혼합모델의 검증을 위해 Hwang 등[3,4]이 실험한 연구데이터를 활용하여수치해석데이터와 비교 분석을 수행하였다. 실험데이터와 수치해석을 이용한 화재해석 데이터 그리고 헬륨/공기 혼합모델을 이용한 해석데이터의 비교분석을 통하여 헬륨-공기 혼합모델을 이용한 터널화재 실험의 기초데이터로 활용하였다. 여기서 연구된 내용을 바탕으로 하여 실제 터널의 85.6배의 축소비를 가지는 축소모형터널 화재실험 장치를 제작하였으며, 데이터 측정은 PIV(Particle Image Velocity) 장비를 활용하였으며 여기서 나온 데이터를 헬륨-공기 혼합모델 수치해석데이터와 비교 분석을 수행함으로써 축소모형을 이용한 터널화재실험 방법을 제시하였다.