3.1 훈련테스트베드구성 및 계산 모델
우리나라의 많은 지하철은 지하에 승강장이 있으며 1층의 지하철 역사와 연결되어 있는 경우가 많다. 지하에 살포된 가스는 지하 승강장의 계단을 통하여 지상1층 혹은 2층에 영향을 줄 수 있으므로 이러한 영향을 관찰하기 위하여 다른 공간에 비하여 2배정도 많은 양을 살포하였다. 먼저 전체적인 NH3 확산의 형태를 살펴보고 시간에 따라 국지적으로 확산하는 현상을 살펴보도록 하겠다.
대량살포(47 L × 2개)는 많은 양이 유입되는 최악의 시나리오라고 생각할 수 있다. 많은 양이 살포되었기 때문에 구조를 위한 진입은 사람이 가장 많이 있을 것으로 예상되는 공간으로 진입하는 것이 요구조자의 생존확률을 높이기 위한 구조 계획이라 생각되며, 동시에 배기와 신선한 공기를 투입할 필요가 있는 것으로 판단된다. 살포량이 적으면 대부분이 안전지대에 있으므로 위험에 처한 사람을 구조하는 전략보다는 가능하면 많은 사람이 신속하게 대피할 수 있도록 퇴로를 알려주는 것이 중요하다.
Figure 4에서 지하1층의 NH
3거동을 보면 대량살포의 경우 상부에서부터 농도가 짙어지고 소량살포의 경우 반대로 하부에서부터 농도가 짙어지는 것을 관찰할 수 있는데 이는 살포량이 많을 때는 급격히 농도가 높아짐으로 가벼운 NH
3는 부력의 영향으로 급격히 상승하는 경향을 보이나, 살포량이 적은 경우 유입구 주변에서 높은 농도를 보이나 이 영역은 상대적으로 부력보다는 관성력이 더 크므로 유동을 따라 흘러가는 경향을 보였다.
Figure 4
AEGL-3 at 30 s (0.5 min).
Figure 5에서 각 층을 연결하는 계단은 살포량이 적고 많음에 관계없이 다른 지역에 비하여 NH
3의 농도가 짙어지며 상승하는 경향을 보이고 쉽게 계단실을 타고 위층으로 전달되는 것을 알 수 있었다. 계단실을 고려한 구조전략이 필요한 것으로 생각된다.
Figure 5
NH3 transfers to 1st floor through stair (6 (left) min and 15 (right) min).
살포량이 작은 경우 유입구 주위에 한정되어 AEGL-3이 형성되었으나 시간이 지남에 따라 그 영역이 확대되고 관성보다는 부력이 지배적인 영향을 주기 시작하면서 지하 승강장의 계단실을 타고 지상 1층으로 전파되는 것을 확인할 수 있었다. 시간별로 보면 대량살포의 경우 NH3가 살포되고 2 min 이전에 배출구가 없고 살포량이 많은 지하승강장층을 제외하고 대부분의 공간에서 AEGL-1로 보이고 있으며, 이 상태에서는 요구조자가 스스로 길을 확보하고 빠져나올 수 있는 것으로 생각된다. 살포량이 작은 경우, NH3의 분포는 전체적으로 훨씬 낮은 수치를 보이며 AEGL-3은 지하층의 유입구에만 한정적으로 나타나 대부분 영역에서 안전하다.
Figure 6에서 지상2층은 대공간으로 시간이 지남에 따라 무대 앞쪽 유입구와 무대 뒤쪽에서 나온 NH
3가 객석에서 만나 천정으로 올라가는 양이 많아지고 천정에서 확장되던 NH
3가 짧은 시간에 전체를 채우는 현상을 관찰할 수 있었다.
Figure 6
NH3 propagation in 2nd floor at 12.5 (left) min and 13.5(right) min.
가장 살포량이 많은 지하1층은 상부에서 유입되어 1층으로 진입하는 계단을 통해 배출되는 구조로 되어 있어 공기의 흐름이 적은 양쪽 벽에서 비교적 안전한 공간이 존재하였다. 시간별로 NH
3 확산을 살펴보도록 하겠다.
Figures 7~
9에서 단면위치는 NH
3의 확산을 잘 보여줄 수 있는 건물의 중심면과 양쪽 끝 계단실의 중심부이다. 또한 등위면(iso-surface)는 AEGL-3을 나타낸다.
Figure 7
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 0.5 min and 1 min.
Figure 8
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 2 min and 3 min.
Figure 9
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 4 min and 5 min.
30 s (0.5 min,
Figure 7): NH
3가 유입구를 통해 들어오기 때문에 유입구 근방의 국한된 영역에서 AEGL-3의 위험한 영역들이 나타나고 있다. NH
3는 공기보다 가벼운 특성이 있어 유입된 암모니아는 상부로 이동하는 경향을 보인다. 지하 1층을 제외한 지상 1, 2층은 하부 유입과 상부 배출을 하고 있으므로 이러한 경향은 더욱 뚜렷하게 나타났다.
Figure 4에서 보는 것과 같이 살포량이 적으면 부력보다는 유입구를 통해 들어오는 공기의 관성에 많은 영향을 받아 유입구 부분만 3단계를 나타낼 뿐 그 외 지역은 안전하다. 객석 상부(객석 경사면 최고점 위치의 벽면 유입구)에서 나온 NH
3는 객석을 따라 흐르지 않고 상부 배출구로 이어지며 무대 앞부분에서 나온 NH
3는 일부 객석의 경사면을 타고 올라가는 경향을 보인다.
1 min (
Figure 7): 소량살포의 경우, 전체적으로 AEGL-1 및 2로 확대되며 지하층의 유입구 부분에서만 미약하게 AEGL-3이 나타나고 있다. 대체로 0.5 min (30 s)의 분포와 비슷한 성향을 보인다.
대량살포의 경우 1 min이 경과하면 AEGL-3 구역이 점차 확대되기 시작한다. 2층 무대 아래 전면 유입구를 통해 유입된 NH
3는 객석의 경사면을 따라 올라가기 시작한다. 객석 뒤쪽 유입구로 유입된 NH
3는 객석으로 이동하면서 부력에 의해 상부로 진행한다.
Figure 7(a)에서는 이러한 현상이 보이지 않으나
Figure 7(b)에서는 나타나고 있다.
Figure 7(a)에 보이지 않는 것은 아직 AEGL-3에 이르지 않았기 때문이다. 지상1층은 대공간으로 바닥의 유입구에서 나온 NH
3는 부력에 의해 상승하여 천정에서 AEGL-3을 보이고 있다. 그러므로 유입 후 1 min 동안은 대량살포인 경우도 대부분의 공간이 안전한 영역에 있음을 알 수 있다. 지하 1층 승강장은 천정 유입이 되며 농도가 높아 부력에 의해 NH
3는 천장을 따라 확대되어가며 사무실 공간이 있는 벽면에 막혀 더 이상 확산하지 않고 천정에 머무는 것을 알 수 있다. 또 일부의 NH
3는 계단을 따라 1층으로 이동하기 시작하는 것을 관찰할 수 있다.
2 min∼3 min (
Figure 8): 소량살포의 경우, AEGL-3에 이르기에는 살포되는 양이 적으며 지하1층 승강장 천장의 유입구 아랫부분에서 제한적으로 관찰된다. 1층과 2층에서는 아직 AELG-3에 이르지는 않았으며 대부분 영역은 안전할 것으로 생각된다.
대량살포의 경우, 2 min 정도의 시간이 지나면 2층 객석의 무대 앞쪽 유입구 부근이 AEGL-3에 도달하였으며.
Figure 8(b)을 보면 유입구로 들어온 NH
3는 부력과 관성 2가지가 작용하기 때문에 객석의 경사면을 타고 확대되어 가며 경사를 타고 올라가면서 객석 상부에서 나온 NH
3와 혼합되어 천장에 설치된 배출구를 통해 나가게 된다. 아직까지 지상 2층은 비교적 넓은 영역에서 안전함을 알 수 있다. 지상 1층은 유입구 근방에서 관성의 영향을 받아 앞으로 나가던 유동이 부력에 의해 급격히 상승하면서 유입구에서 조금 떨어진 천정으로 올라가는 유동을 확인할 수 있다. 대공간에서 전형적 NH
3의 거동을 잘 보여주고 있다.
지상 1층은 지하로부터 계단실을 통해 올라온 NH
3로 인해 계단에서 가까운 천장부터 확산하는 것을 볼 수 있다. 부력에 의해 상승했던 공기들이 유동을 따라 하강하면서 지하의 승강장은 많은 영역들이 AEGL-3이 되었으며 문을 통해 사무공간으로 들어간 NH
3는 더욱 확대되어 나가고 있다. 지하공간에 있는 사람은 심각하게 노출되기 시작했다고 추정할 수 있다.
Figure 8(b)의 NH
3의 분포는 이러한 경향을 잘 보여주고 있다.
4 min∼5 min (
Figure 9): 대량살포의 경우, 지하1층과 지상1층으로 이어지는 계단을 통한 유입량이 상대적으로 많아 지상1층의 경우 가장자리부터 AEGL-3영역이 확대되어가는 것을 볼 수 있다. 지하승강장뿐 아니라 지하승강장에 붙어 있는 사무공간도 AEGL-3가 되었으며 이 사무공간에 이어진 문을 따라 다른 사무공간으로 확대되어 나가고 있으며 이러한 현상은
Figure 9(b)에 잘 나타나 있다. NH
3는 상대적으로 가벼운 기체로 같은 공간에서는 상부에서부터 채워지는 경향이 있으며 계단실을 통한 전달도 확산의 중요한 요인이 된다.
소량살포의 경우, 5 min이 경과한 시점까지 AEGL-1 및 2의 경우 계속적으로 확대되어 나가지만, 상대적으로 AEGL-3의 경우 지하 1층의 승강장은 유입공기의 직접적인 영향을 주는 국소 영역에 한해서 AEGL-3을 나타내었다. 이는 전체 유입되는 NH3가 양이 작아 일부 지역에만 국부적으로 AEGL-3을 나타나는 것이다. 5 min이 지난 시점부터는 지하1층의 승강장 영역이 급격하게 AEGL-3이 되었으며 유입구에서 떨어진 공간으로 확대되어 나갔다. NH3의 농도가 짙어지면서 부력의 효과가 커져 AEGL-3 영역이 승강장의 상부 천정에 나타나고 일부는 계단영역을 따라 1층으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 지상1층과 2층의 공연장에서는 AEGL-3의 영역은 나타나지 않았지만, 유입구로 들어온 NH3는 농도가 엷은 상태로 전체에 고루 분포하는 것을 알 수 있다. 특히 지상1층을 보면 3 min이 지난 시점에서 다른 영역보다 가장자리 영역에서 상대적으로 높은 NH3의 농도를 보인다. 이는 유입구로 들어온 NH3가 공기와 함께 이동하여 공기의 흐름이 적은 가장자리에 쌓이고 있음을 나타낸다. 지하승강장을 제외하고는 유의미한 AGEL-3의 수준을 보이지는 않는다. 다만 농도가 짙어짐에 따라 부력의 영향이 커지고 서서히 천정으로 이동하는 경향을 보이고 있다.
5 min 이후(
Figure 10): 대량살포의 경우 5 min 이후는 대부분 영역이 AEGL-3이상의 수준을 보인다. 5 min 정도의 시간이 지났기 때문에 아직은 안전하나 요구조자(30 min 노출)는 시간이 지나면서 위험에 놓이게 될 것이다. 이 시간은 시나리오상 대원들이 현장에 도착하고 오염을 판단하는 시간으로 먼저 이동이 가능한 요구조자들에게 출구의 위치만이라도 알려주고 바로 대피할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 구조대응시작에 해당하는 18 min 이상이 지난 경우에는 상당시간 NH
3에 노출되어 스스로 대피하기 어려운 상황으로 구조계획이 필요하다.
Figure 10에서 10 min과 15 min 사이의 지상2층의 변화를 보면 가벼운 기체인 NH
3의 확산의 특성을 볼 수 있다. 10 min이 경과하면서 부력에 의해 상승한 NH
3는 가장자리부터 높은 농도를 보이며 확산하여 가다가 5 min 정도의 짧은 시간에 공기의 흐름을 따라 빠르게 하강하면서 전체 영역이 AEGL-3가 되는 것을 알 수 있다.
Figure 10
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 10 min and 15 min.
소량살포의 경우 5 min 정도 지난 시점에서 계단을 통해 1층으로 NH
3가 이동하는 것을 확인할 수 있으며 10 min 지난 시간(
Figure 10)에 지하승강장은 AEGL-3가 되었으며 계단영역도 AEGL-3이 되었으며 1층으로 일부가 이동한 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 1층의 계단 영역 가까운 영역이 중심 부분보다 높은 AEGL-3수치를 보인다.
20 min 이후의 NH
3의 확산은
Figure 10과 전체적으로 비슷한 양상을 보여 본 논문에 넣지는 않았다. 소량살포의 경우 20 min이 지나면 계단을 통한 유입으로 인해 지상 1층에서도 계단 근방에서 일부 영역에서 AEGL-3를 보인다. 지상2층은 무대 전면부와 무대 반대쪽 벽면에서 나온 공기와 NH
3로 인해 계단의 경사면에서 만나 다른 영역에 비해 다소 높은 수치를 보이나 전체적으로 AEGL-3에 이르지는 않고 있다. 30 min이 경과한 경우 지하승강장과 지상1층의 계단 유입에 의한 영향으로 전체적으로 AEGL수치가 높아지는 것을 알 수 있다. 2층의 경우는 아직 대부분의 영역에서 AEGL-2 정도 낮은 수치를 보였다.