도로터널 내부의 공기 흐름 형성과 변화

도로터널 내부의 공기 흐름 형성

가. 외부 바람에 의한 영향

터널이라고 해서 공기의 흐름이 형성되지 않는 것이 아니다. 터널 외부에 바람이 부는 경우 내부로 불어오는 바람에 의해 터널 내부에서 공기의 흐름이 형성된다. 당연히 강풍이 부는 경우에는 그만큼 큰 바람이 형성된다.

 

나. 차량의 주행 방향에 의한 영향

그런데 대부분의 경우 도로터널은 차량이 끊임없이 통행하는 곳이다. 최근 설치되는 터널은 안전을 위해 대부분 편도로 구성되고 있으며 상행 및 하행 터널간 연결통로를 통해 피난 안전성을 확보하고 있다. 따라서 차량의 진행방향이 한 방향으로 이루어지고 이 흐름에 의해 도로터널 내부에 공기의 흐름이 형성된다.

 

다. 제트팬에 의한 공기 흐름 유발

터널은 제트팬을 설치하여 공기의 흐름을 유발하여 배연하는 강제 배연방법과 터널 상부로의 수직덕트 역할을 하는 대배기구를 통한 자연 배기방법을 사용한다. 먼지, 차량의 배기가스, 화재에 의한 연기 등을 배출하기 위해 제트팬이 작동되고 이로 인해 터널 내부에는 강한 공기의 흐름이 형성된다.

 

외부 바람과 터널의 바람 방향이 역방향이면 난류가 형성된다.

화재가 발생한 경우 연기의 흐름

가. 평상시 주행 상태에서는

제트팬이 작동하지 않는 상태라도 터널 내부 공기의 흐름은 차량의 주행방향으로 형성된다. 따라서 내부 공기의 흐름에 따라 연기는 차량의 주행방향으로 흐르게 된다. 화재 차량 진행방향 쪽으로 연기가 흐르지만, 제트팬이 동작하기 전에는 임계풍속이 형성되지 않기 때문에 화재 차량의 뒤편으로도 연기는 점차 확산된다.

 

차량의 주행방향과 동일하게 터널 내 바람이 형성된다.

나. 외부 바람에 의해 영향을 받는 경우

그런데 외부에서 바람의 영향을 받는 상황이라면 공기의 흐름은 달라진다. 외부에서 불어오는 바람의 영향에 따라 터널 내부의 공기 흐름은 층류가 형성될 수도 있고 난류가 형성될 수도 있다. 특히, 주행방향과 반대의 바람이 부는 경우라면 터널 내부의 바람은 난류가 형성된다. 이 경우 연기는 주행방향의 공기 흐름과 외부에서 불어 들어오는 바람의 강도에 따라 영향을 받아 더 강한 쪽으로 난류의 형상을 보이면서 청결층이 형성되지 못한 채 퍼져 나가게 된다.

 

다. 제트팬이 작동하는 경우

평상시 제트팬이 작동하고 있는 경우도 있고 화재에 의해 터널의 천장에 설치된 자동화재탐지설비의 감지설비가 열을 감지하면서 제트팬이 연동하는 두 가지로 크게 나눌 수 있다.

① 처음부터 제트팬이 작동하고 있던 경우라면 터널 내부는 공기의 흐름이 순방향으로 흐르고 있는 상황이다. 그러므로 제트팬에 의해 터널 내부는 이미 임계풍속이 형성되고 있다고 보면 된다. 그러므로 연기는 화재 차량의 진행방향으로 움직이게 된다.

② 그러나 자동화재탐지설비의 작동에 의해 연동되는 경우에는 임계풍속에 이르는데 시간이 소요된다. 그러므로 일단 연기는 터널의 천장을 따라 흐르며 화재가 발생한 차량의 앞과 뒤로 확산되다가, 제트팬에 의해 내부의 바람이 임계풍속에 이르게 되면 차량의 진행방향으로 움직이게 된다.

터널 내부 공기 흐름이 변화하는 타이밍

가. 차량의 진행방향 반대편에서 바람이 유입되는 경우

도로터널 내부의 공기 흐름은 차량의 주행방향으로 형성되는 것이 일반적이다. 그래서 화재로 인해 발생한 연기는 부력 때문에 터널의 천장으로 상승했다가 공기의 흐름에 따라 자연스럽게 차량의 주행방향으로 흐르게 된다. 그런데 터널 외부에서 부는 바람의 강도가 세고, 바람의 방향이 차량의 진행방향과 역으로 불어오게 되면 터널 내부의 공기 흐름은 층류가 아닌 난류로 바뀌게 된다. 또한, 열기와 연기의 흐름도 터널 내부에 갖히게 된다.

 

나. 피난연결통로가 개방되는 경우

제트팬에 의해 터널 내부가 차량의 진행방향으로 공기의 흐름이 완연하게 형성되고 임계 풍속에 도달하여 한쪽 방향으로만 연기를 이동시키고 있다 하더라도, 또 다른 문제가 발생한다.

① 사람들은 피난을 위해 차량용 피난연결통로에서 차량을 회차하거나 대인용 피난연결통로를 통해 빠져나가려고 할 것이다. 처음에는 하나 두 개 정도 개방되지만, 나중에는 화재차량 뒤쪽 전체의 피난연결통로가 모두 열릴 것이 예상된다.

② 그리고 화재 차량의 앞쪽에서도 화재진압과 인명구조를 위해 진입하는 소방대에 의해 앞쪽의 또 다른 피난연결통로가 개방되게 된다. 이때 열기와 연기는 개방된 피난연결통로를 통해서 상대 터널로 이동하는 현상이 발생하게 된다.

 

상대터널에서는 제트팬이 역방향으로 돌아 차압을 형성한다.

다. 제트팬의 동작 방향이 바뀌는 경우

터널에 설치되는 제트팬은 차량의 흐름에 맞도록 순방향으로 작동한다. 즉 차량의 주행방향에 맞게 바람을 형성하도록 설치된다. 그런데 최근에는 순방향으로 설치된 제트팬이 필요에 따라 역방향으로 바람을 형성시키는 기법이 등장했다. 이는 터널의 화재가 발생하지 않는 터널에서 차압을 형성하기 위한 방법으로 사용된다. 이 경우 터널 내부 공기의 흐름은 완연히 달라지게 된다.

 

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