전산유체학을 이용한 고준위 방사성 폐기물 처분장의 자연환기량에 의한 온도예측

노장훈(Jang-hoon Roh),유영석(Yeong-seok Yu),장승현(Seung-hyun Jang),박선오(Seon-oh Park),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2012 터널과지하공간 Vol.22 No.6

본 연구에서는 고준위 방사성 폐기물 처분장의 특징인 높은 고도차와 온도차이로 인해 발생하는 자연환기량을 바탕으로 처분터널내 온도를 전산유체학을 활용하여 예측하였다. 선행된 연구에서 Hydrostatic method와 CFD를 활용하여 자연환기량을 정량적으로 평가한 결과 상당히 큰 자연환기량이 발생이 됨을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 폐기물 발열량에 따라 발생되는 자연환기량으로 인한 처분터널내 온도예측을 실시하였으며, 처분장을 크게 심지층 처분장과 지상처분장으로 나누어 온도예측을 실시하였다. 해석결과 심지층 처분장은 암반으로의 열전달과 충분한 자연환기량의 발생으로 처분장내 온도 제어에 효과적인 반면에, 지상처분장의 경우 외부온도의 영향을 크게 받고 충분한 자연환기량을 발생시키지 못하여 온도제어에는 불리함을 확인하였다. 또한 심도 200 m 심지층 처분장의 경우 심도 500 m까지 약 10℃정도의 열이 전달됨을 확인하였다. 즉, 국내에 건설 예정인 고준위 방사성 폐기물 처분장을 온도제어에 중점을 두고 설계한다면 지상처분장보다는 심지층 처분장이 타당한 것으로 연구되었다. This study predicted temperature in the disposal tunnels using computational fluid dynamics based on natural ventilation quantity that comes from high altitude and temperature differences that are the characteristics of high level waste repository. The result of the previous study that evaluated quantitatively natural ventilation quantity using a hydrostatic method and CFD shows that significant natural ventilation quantity is generated. From the result, this study performed the prediction of temperature in disposal tunnels by natural ventilation quantity by the caloric values of the wastes, at both deep geological repository and surface repository. The result of analysis shows that deep geological repository is effective for thermal control in the disposal tunnels due to heat transfer to rock and the generation of sufficient natural ventilation quantity, while surface repository was detrimental to thermal control, because surface repository was strongly affected by external temperature, and could not generate sufficient natural ventilation quantity. Moreover, this study found that in the case of deep geological repository with a depth of 200 m, the heatof about 10℃ was transferred to the depth of 500 m. Thus, it is considered that if the high level waste repository scheduled to be built in the country is designed placing an emphasis on thermal control, deep geological repository rather than surface repository is more appropriate.

지하처분장내 고준위 방사성 폐기물 발열량에 따른 자연환기력 연구

노장훈(Jang-hoon Roh),최희주(Heui-joo Choi),유영석(Yeong-seok Yu),윤찬훈(Chan-hoon Yoon),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.6

본 연구에서는 고준위 방사성 폐기물 처분장의 특징인 높은 고도 차이와 폐기물에서 발생하는 발열량에 따른 자연 환기력을 계산하고 이를 바탕으로 자연 환기량을 계산하였다. 고준위 방사성 폐기물 처분장은 열엔진과 유사한 폐쇄 싸이클의 열역학적인 과정을 따른다고 볼 수 있다. 지하처분장내 고준위 폐기물의 발열에 의한 열이 공기에 추가되고 이로 인해 공기가 upcast 수직갱을 통해 위로 올라가는 동안 팽창됨에 따라 주위에 일을 하고, 이때 한 일에 의해 첨가된 열의 일부분은 임시로 기계적 에너지로 변함으로서 공기의 흐름을 촉진할 수 있다. 이는 처분장 내에서 지속적이고 강력한 열원이 존재한다면 자연 지속적인 공기의 싸이클적 흐름을 가능하게 할 것이다. 이를 바탕으로 고준위 방사성 폐기물의 심지층 처분시 발생되는 자연 환기량을 수학적 방법으로 계산한 결과 굴뚝효과에 의하여 폐기물 발열량에 따라 74~183Pa의 자연 환기력이 계산되고 이에 따른 자연 환기량은 92.5~147.7㎥/s이 계산되었다. 또한 CFD의 자연환기량 해석결과는 82~143㎥/s로서 수학적인 방법과 비교하여 매우 비슷한 결과를 나타내었다. In this study, the natural ventilation pressure resulting from the large altitude difference which is a characteristic of high radioactive waste repository and the caloric value of the heat emitted by wastes was calculated and based on the results, natural ventilation quantities were calculated. A high radioactive waste repository can be considered as being operated through closed cycle thermodynamic processes similar to those of thermal engines. The heat produced by the heating of high radioactive wastes in the underground repository is added to the surrounding air, and the air goes up through the upcast vertical shaft due to the added heat while working on its surroundings. Part of the heat added by the work done by the air can be temporarily changed into mechanical energy to promote the air flow. Therefore, if a sustained and powerful heat source exists in the repository, the heat source will naturally enable continued cyclic flows of air. Based on this assumption, the quantity of natural ventilation made during the disposal of high radioactive wastes in a deep geological layer was mathematically calculated and based on the results, natural ventilation pressure of 73~173Pa made by the stack effect was identified along with the resultant natural ventilation quantity of 92~143㎥/s. The result of an analysis by CFD was 82~143㎥/s which was very similar to the results obtained by the mathematical method.

공장에너지관리시스템(FEMS) 표준화 연구

노장훈(Roh Jang Hoon),송인빈(Song In Bin),김원식(Kim Wos Sik),박병훈(Park Byung Hun) 한국통신학회 2023 한국통신학회 학술대회논문집 Vol.2023 No.11

네트워크형 복층 터널 환기 시스템 설계 인자

박상훈(Sang Hoon Park),이승준(Seung Jun Lee),박요한(Yo Han Park),김세민(Se Min Kim),노장훈(Jang Hoon Roh),유용호(Yong Ho Yoo),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.1

전 세계적으로 도심지 공간의 효율적인 활용을 위한 지하 공간 이용방안에 대해 연구가 진행되어 왔고 미국, 유럽, 중국 등이 복층터널을 건설하여 운영 중이다. 대표적으로, 프랑스의 A86 East, 말레이시아 SMART 터널, 스페인 M30 프로젝트, 미국 시애틀 SR99, 중국 상하이 양쯔강 터널 등을 예로 들 수 있다. 이에 따라서 국내에서도 교통집중을 해소하고 지상 공간 확보를 위해 대심도에 위치하는 네트워크형 복층도로터널 운영에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러므로 본 연구에서는 기존에 사용하고 있는 일반적인 도로터널의 환기설계 아웃라인의 리뷰를 통해 대심도 복층터널에 추가적으로 필요한 다양한 요소들을 분석해보고, 해외 복층 도로터널설계사례들을 자세히 검토하여 환기방식과 종류에 따른 환기설계인자분석을 통해 네트워크형 복층 도로터널에 적용 가능한 설계인자를 도출해내고 특징적인 환기설계인자를 새롭게 정립해 본다. For effective utilization of downtown area, many studies about underground have been performed around the world, and double-deck tunnel have being operated in USA, Europe and China, etc. (A86 East Duplex in France, M30 tunnel project in Spain, SR-99 in seattle, USA, Yangtze river tunnel in China) In Korea, the research about network type double-deck tunnel in deep underground space is in progress to solve the traffic jam and secure the ground space. In this study, a number of factors required for double-deck tunnel in deep underground are analyzed through the existing ventilation design outline and unique ventilation design factors for network type double-deck tunnel are established by reviewing design cases of overseas double-deck tunnel.

네트워크형 복층 도로터널 환기에서의 충격 손실 평가를 위한 수치해석적 연구

박상훈(Sang Hoon Park),노장훈(Jang Hoon Roh),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2017 터널과지하공간 Vol.27 No.3

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 충격손실에 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. 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.

추적가스법을 적용한 국내 석회석 광산의 환기성능 평가 연구

김영수(Young-su Kim),노장훈(Jang-hoon Roh),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.4

현재 국내에서 가행 중인 석회석 광산은 자연환기력을 주된 환기방법으로 사용하고 있고, 대단면 굴착으로 매우 저속의 공기유동현상이 나타나고 있다. 이로 인하여 작업구간의 공기질이 매우 저하되어 있는 실정이다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해서는 먼저 환기성능을 면밀하게 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 이러한 환기성능평가를 위해서 추적가스법을 적용하여 평가를 실시하였다. 연구 결과, 추적가스법을 통해 매우 저속의 공기유동, 공기재순환현상, 작업장 공기교환율 등을 정량적으로 평가함에 따라서 연구광산의 환기문제점들을 정밀하게 확인할 수 있었다. 이러한 추적가스법을 활용한 환기성능 평가방법은 광산의 작업환경 개선을 위하여 매우 정밀한 도구로 사용될 수 있음을 확인하였다. Natural ventilation is employed in limestone mines that have been currently operated in Korea, and there has been a growing issue of a significantly weak airflow caused by the large-scale excavation. Thus, the air quality in the working area is considerably poor. In order to improve this circumstance, it is mainly required to examine ventilation performance. In this study, the examination of ventilation efficiency was conducted by using tracer gas method. The result of this work indicated detailedly the ventilation problems in research mine, in that extremely low air velocity, recirculation, and air change rate were evaluated quantitatively using tracer gas. Therefore the ventilation performance evaluation using tracer gas can be opted as a precise method to improve the working area in mines.

현장실측을 통한 국내 일반광의 열역학적 자연통기력 연구

유영석(Yeong-seok Yu),노장훈(Jang-hoon Roh),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.4

본 연구에서는 가행광산 및 휴·폐광산에 대하여 선정과정을 거쳐 최종적으로 총 13개의 광산을 연구대상으로 하여 현장실측을 하였다. 이후 스프레드시트를 이용한 열역학적 방식의 자연통기력에 대한 계산을 시도하였다. 이를 바탕으로 각 광산들의 자연통기력을 정량화 하였다. 또한, 광산 심부화를 가정한 자연통기에너지(NVE)의 변화와 자연통기압력(NVP)을 예측하고, 이 값을 갱도 조건에 적용하여 유량변화를 관찰하였다. 국내광산의 자연통기력은 약 5~300 Pa의 범위로 계산된다. 심도가 깊어짐에 따라 온도차에 의해 NVP은 커지나 저항 또한 증가하므로 NVP와 갱도 저항의 관계에 의해 깊이가 증가할수록 유량은 일정한 값으로 수렴하는 경향을 보인다. 깊이 200~300 m 까지는 높이차가 있는 수직갱을 이용한 자연통기가 효과적이나 약 200~300 m이상에서는 NVP에 따른 유량변화율이 미미하므로 300 m 이상 심부화가 진행될 경우 자연통기압력으로 충당치 못하게 되어 기계통기를 통한 추가적인 압력이 필요하다. In this study, a total of 13 mines were finally selected as study subjects and field measurements were conducted. Thereafter, calculations of thermodynamic natural ventilation were attempted using spread sheets and solutions for natural ventilation of mine types with multiple vertical shafts were obtained. Based on the results, natural ventilation of each mine was quantified. In addition, changes in natural ventilation energy (NVE) and natural ventilation pressure (NVP) were estimated assuming mine deepening and the resultant values were applied to mine conditions to observe changes in flow rates. Natural ventilation pressure in domestic mines is generally calculated to be in a range of 5 Pa~300 Pa. Although NVP increases as the depth increases, resistance also increases. Therefore, as the depth increases, flow rates show a tendency of converging on a certain value because of the relationship between NVP and mine resistance. Natural ventilation using shafts with depth differences is effective up to depths of 200~300 m. However, flow rate change rates resulting from NVP are small at depths deeper than approximately 200~300 m. Therefore, if a mine is deepened over 300 m, NVP will become insufficient and thus additional pressure obtained through mechanical ventilation will be necessary.

열적지표를 적용한 국내 고심도 석탄광산의 열환경 평가 연구

박선오(Seon-oh Park),노장훈(Jang-hoon Roh),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2014 터널과지하공간 Vol.24 No.2

본 연구에서는 현장실측을 통하여 강원도 태백에 위치한 대규모 석탄광산의 열환경을 평가하였다. 열환경 평가를 위하여 WBGT, HSI, ESI, KATA지수 및 유효온도 등 다양한 열적지표를 적용하였고, 상관분석을 실시하였다. 분석결과 대부분의 작업장에서 높은 열환경이 평가되었고, 특히 열적지표 중 인체의 생리학적 특성을 반영하는 HSI와 최대 땀증발열의 상관계수는 –0.834이고 이것은 HSI지표에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 최대 땀증발열에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 공기속도이다. 따라서 운영 중인 제 1수직갱의 연장 굴착 또는 공기 누기를 방지하기 위한 구조물을 설치함으로써 환기량 증대를 통해 작업장의 열환경을 개선시킬 수 있을 것으로 판단된다. In this study, the thermal environment in a large scale coal mine located in Taebaek, Gangwondo was assessed by a field survey. In order to estimate the thermal environment, various heat stress indices such as WBGT, HSI, ESI, KATA index and effective temperature were investigated. Correlation analysis was also conducted. It was found that the thermal environment in most workplace was high. In particular, the correlation coefficient between HSI reflected in physiological fatigue characteristic and the maximum sweat evaporation heat was -0.834. This shows that the correlation coefficient have the most influence on HSI index. The factor which has the most influence on the maximum sweat evaporation heat is velocity of air. The thermal environment of high-depth coal mines is likely to be improved by installing a structure that enables the maximum prevention of extended digging, air doors, or the leakage of the inflow of air in the first shaft.

고준위 방사성 폐기물 처분장 설계를 위한 Diagonal 환기 회로 내 공기량 분배에 관한 연구

황인필(In-phil Hwang),최희주(Heui-joo Choi),노장훈(Jang-hoon Roh),김진(Jin Kim) 한국암반공학회 2012 터널과지하공간 Vol.22 No.3

In this study, diagonal ventilation circuits that are advantageous in air flow direction control were studied. Based on the results of the study, it could be seen that air volumes in diagonal ventilation circuits could also be calculated using numerical formulas or programs if the air volumes and air flow directions to be infused into diagonal branches are determined in advance as with other serial/parallel circuits. To apply the results, design plans for high level radioactive waste repositories applied with diagonal ventilation circuits and parallel ventilation circuits. To compared the each design plans and obtain expected operation results, ventilation network simulations were conducted through the Ventsim program which is a ventilation networking program. Based on the results, in the case of diagonal repositories that was expected to cause great increases in resistance, fan pressure was 1570 pa, total flux was 84 ㎥/s, fan efficiency was 76.4%, fan power consumption was 181.2 ㎾ and annual fan operating costs were 178,710,838 and thus maximum around 8% differences were shown in pressure and flux values and a difference of around 1.5% was shown in terms of operating costs. 본 연구에서는 방사성 폐기물 처분장 설계 시 필요할 수 있는 공기 유동 방향의 제어에 이점을 가진 Diagonal 환기 회로에 대해서 연구하였다. 연구 결과, Diagonal 환기 회로에서도 Diagonal 갱도(Branch)로 유입시킬 공기량과 공기 유동 방향을 미리 정한다면 다른 직·병렬 회로와 마찬가지로 수식이나 프로그램에 의한 공기량을 산정할 수 있음을 알 수 있었다. 이를 적용하기 위해 앞으로 처분될 고준위 방사성 폐기물의 추정 데이터를 통해 Diagonal 환기 회로와 병렬식 환기 회로가 적용된 고준위 방사성 폐기물 처분장의 설계안을 마련하였다. 마련된 설계안 별 비교 및 예상 운영 결과를 얻기 위해서 환기 네트워킹 프로그램인 Ventsim 프로그램을 통해 환기 네트워크 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 저항 증가가 큰 수치로 발생할 것으로 예상되었던 Diagonal 처분장은 병렬식 환기 회로가 적용된 처분장과 비교하였을 때, 팬 압력은 1570 pa, 총 유량 84 ㎥/s, 팬 효율 76.4%, 팬 소요 전력 181.2 ㎾ 및 연간 팬 운영 비용 178,710,838원으로 압력과 유량값에서 최대 8% 정도의 차이를 보였고, 운영 비용 측면에서는 1.5%의 차이를 보였다.