장대터널에서 배연거리 증대를 위한 풍도내 제트팬 설치방안에 관한 연구 = The Method of Installing Jetfan in Duct for Improving Smoke Extraction Distance in Long Tunnel

국문 초록 (Abstract)

장대터널에서 배연거리 증대를 위한 풍도내 제트팬 설치방안에 관한 연구 최근 대도시권에서는 지상공간 활용과 교통혼잡 완화를 위해 도로의 지하 화 및 초장대터널 건설이 증가하고 있다. 도시부 장대터널에서의 화재시 연 기확산을 효과적으로 제어하기 위하여 배연풍도 설치도 인한 단면적 확대 에 따른 공사비 증가에도 불구하고 대배기구 방식의 적용이 증가하고 있다. 대배기구 방식은 터널의 천정부에 배연풍도와 배연댐퍼를 설치하여 화재시 화재부근의 댐퍼만을 개방하여 국부적인 배연이 가능하도록 하는 방식으로 이에 대한 연구는 배연성능향상을 위한 연구가 주를 이루고 있다. 그러나 터널이 장대화되면서 축류팬의 정압이 제한적이기 때문에 배연거리에 한계 에 부딪히게 되었다. 즉, 공사비 절감을 위해서 배연풍도의 단면적 축소가 요구되고 따라서 풍도에 풍속(최대 20m/s)의 증가를 초래하여 압력손실을 증 가시키게 되어 적용가능 배연거리가 2~3 km수준에 머물고 있는 수준이다. 이에 본 연구에서는 배연풍도내부에 제트팬을 설치하려 제트팬의 승압효 과를 이용하여 배연거리를 증대할 수 있는 방안을 제시하고자 제트팬 직 경(Φ630, Φ810, Φ1030, Φ1250), 제트팬 간 이격거리(0.3~1.0D), 배연풍도내 풍속(5~20m/s)을 변수로 하여 제트팬의 승압력 및 승압효율을 구하기 위한 수치해석을 수행하여 제트팬 승압력에 의한 배연거리증가(상당배연거리)를 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다. 배연풍도내 풍속이 증가할수록 제트팬의 승압력과 추진력 기반 승압효율 은 선형적으로 감소하였으며, 제트팬 직경이 증가할수록 승압력은 증가하 였으나 동일 풍속 조건에서는 승압효율의 차이가 크지 않았다. 반면 상대 속도를 고려한 승압력 기준 승압효율은 모든 풍속 조건에서 85~98%의 높 은 값을 유지하였으며, 직경이 클수록 높은 효율이 나타났다. 상당배연거 리는 승압력에 비례하여 증가하나, 풍도내 풍속 증가 시 급격히 감소하는 특성이 확인되었다. 분석 결과를 종합하면, 일반적인 풍도 운전조건인 15~20m/s에서 Φ1,250 제트팬을 0.5D 간격으로 설치하는 조합이 상당배연거리 31~78m 범위에서 상대적으로 가장 유리한 성능을 나타냈다.

주제어: 장대터널, 풍도, 제트팬, 승압력, 추진력, 승압효율, 상당배연거리

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent metropolitan areas, the underground development of roadways and the construction of extra-long road tunnels have been increasing in order to improve land utilization and alleviate traffic congestion. In urban long tunnels, large exhaust duct systems are increasingly applied to effectively control smoke propagation during fire incidents, despite the increased construction cost associated with duct cross-section enlargement. The large exhaust port system enables localized smoke extraction by installing exhaust ducts and dampers at the tunnel crown and opening only the dampers near the fire location. Previous studies have mainly focused on improving smoke extraction performance; however, as tunnel lengths increase, the limited static pressure capacity of axial exhaust fans has led to inherent limitations in the achievable exhaust distance.
To reduce construction costs, the cross-sectional area of exhaust ducts is often minimized, which results in increased duct air velocity (up to 20m/s) and consequently higher pressure losses. As a result, the applicable exhaust distance of conventional systems is typically limited to approximately 2–3km. In this study, a method to extend the exhaust distance by installing jetfans inside the exhaust duct and utilizing their pressure rise effect is proposed.
Numerical simulations were conducted to evaluate the pressure rise and efficiency of jetfans installed inside an exhaust duct. The jetfan diameter (Φ630, Φ810, Φ1030, and Φ1250), spacing between jetfans (0.3–1.0D), and duct air velocity (5–20 m/s) were selected as key parameters. Based on the calculated pressure rise, the increase in exhaust distance was quantified using the equivalent exhaust distance concept.
The results show that both the pressure rise and thrust-based pressure efficiency of jetfans decrease linearly as the duct air velocity increases. Although the pressure rise increases with increasing jetfan diameter, the pressure efficiency under identical velocity conditions shows no significant difference among fan sizes. In contrast, the pressure-based efficiency considering relative velocity effects maintains high values ranging from 85% to 98% across all velocity conditions, with larger jetfan diameters exhibiting higher efficiency. The equivalent exhaust distance increases proportionally with the jetfan pressure rise but decreases sharply as the duct air velocity increases.
Overall, under typical duct operating conditions of 15–20m/s, the configuration using a Φ1250 jetfan with a spacing of 0.5D provides the most favorable performance, yielding an equivalent exhaust distance in the range of approximately 31–78m.

Keywords: Long road tunnel, Jetfan, Duct, Pressure rise, Thrust, Pressure efficiency, Equivalent exhaust distance

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 2
• 제 2 장 제트팬 추진 이론 3
• 2.1 제트류(Jet Flow)의 특성 3
• 2.2 제트팬 효율 산정방법 6
• 제 3 장 연구 방법 10
• 3.1 해석모델 및 해석 조건 10
• 3.1.1 해석모델 및 경계조건 10
• 3.2 수치해석 모델의 타당성 검토 17
• 3.2.1 격자의 영향 검토 17
• 제 4 장 결과 및 고찰 19
• 4.1 해석 결과 및 분석 19
• 4.1.1 배연풍도내 정압 및 풍속 분포 19
• 4.1.2 제트팬 승압력 검토 결과 24
• 4.2 제트팬 효율 비교 분석 39
• 4.2.1 제트팬 효율 비교 분석 39
• 4.2.2 제트팬 승압력에 따른 상당배연거리 47
• 제 5 장 결론 51
• 참고문헌 53
• Abstract 56
• 감사의 글 58