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換気シミュレーション
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Tunnel Ventilation Simulator
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換気シミュレーションとは 使用約款 取扱い商品 利用料金 シミュレータの限界 シミュレータ
道路トンネルの換気シミュレーションの必要性
《非常時》
火災時の煙の挙動を把握して避難環境を確保することが、災害を最小限にとどめるために重要である。そのためには、換気方式や交通状況に応じた適切な換気運転を行い、利用者に一定時間にわたり避難環境を確保することが必要となる。このため、火災発生時における空気の流れを解析し、またその空気の流れによって移動する煙の挙動を解析することにより、避難の可能性を判断する。
《平常時》
トンネルの換気には多大の運転コストが発生する。そこで、交通状況に応じた適切な換気運転により、安全性・快適性を確保しつつ、最低限の電力コストを実現するような制御が必要となる。制御方法を開発、改良し、またその制御結果から制御方法が適切であるかどうかを評価することが重要である。現場で実際に運転しているシステムに対してこれらを行うことは許されないため、シミュレーションにより十分な検討を行っておく必要がある。
道路トンネル換気シミュレーションの歴史
1979年より工学院大学水野明哲(当時講師)は、関越トンネルの換気に関する委員会において、トンネル換気シミュレータの必要性を説き、同時にシミュレータを開発して、多数のシミュレーション結果を委員会に提出し、審議の資料とした。これにより、関越トンネルは世界ではじめての縦流式換気の長大トンネルへの適用を可能とし、非常時の避難環境の確保や、平常時の経済運転の基礎となるコンセプトを樹立した。(文献1、2、3)
その後、肥後トンネルから東京湾アクアラインにいたるわが国の主要なトンネルプロジェクトにおいて、シミュレーションによる非常時換気シミュレーションがきわめて一般的に行われるようになり、現在に至っている。
縦流換気式トンネルにおいて、火災時にできるだけ短い時間で風速を目標値に持っていくための、いわゆる外乱予測最適制御が提案された。(文献4) これは、長崎のオランダ坂トンネルに適用されたが、風速計の平滑化による遅れを適切に考慮しなければ、制御性能が得られないことがわかった。
それまで行われてきた縦流換気式トンネルに対するシミュレーションに加えて、1991年ごろから、横流換気に対するシミュレーションが始まった。(文献5、6) ここでは横流換気に対する基礎式が提案され、火災区間における縦流風速抑制のためのインバランス運転の概念が提案された。インバランス運転が実際のトンネルに設置されたのは、2003年3月開通の東山トンネル(名古屋)が初めてで、現地実験の結果、横流換気に対するシミュレーションが適切であったことが確認されている。(文献7、8)なお、横流換気に対する基礎式は、その後さらに改良されて、1999年に提案されたものがそれ以後のシミュレーションに用いられている。(文献9)
ヨーロッパを初めとする諸外国では、シミュレーションによる換気挙動の解析について、ひややかな見方であったが、1990年代後半から、縦流化が徐々に普及してきたことに伴い、シミュレーションが活発になってきており、さらに1999年のモンブラン、タウエルン両トンネルの火災事故をきっかけに、シミュレーション解析の重要性が再確認されてきたように思われる。

(文献)
  1. H. Ohashi, A. Mizuno, I. Nakahori, M. Ueki: A new ventilation method for the Kan-etsu road tunnel, 4th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp.31-47 (1982)
  2. A. Mizuno, H. Ohashi, I. Nakahori, N. Okubo: Emergency Operation of Ventilation for the Kan-Etsu Road Tunnel, 5th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp.77-91 (1985)
  3. A. Mizuno, H. Ohashi, T. Ishidaka, I. Nakahori, S. Kimura and H. Fujimura: Practical test of emergency ventilation combined with bus firing at the Kan-etsu tunnel, Proceedings of the 6th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp.353-366 (1988)
  4. A. Mizuno: An optimal control with disturbance estimation for the emergency ventilation of a longitudinally ventilated road tunnel, FLUCOME '91, ASME, pp.393-399 (1991)
  5. A. Mizuno and A. Ichikawa: Possibility of Controlling Longitudinal Air Flow Velocity in Emergency for a Transversely Ventilated Tunnel, Proceedings of the 7th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp.349-364 (1991)
  6. A. Mizuno and A. Ichikawa: Controllability of longitudinal air flow in transversely ventilated tunnels with multiple ventilation divisions, Proceedings of the 1st International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, edited by A. E. Vardy, pp.425-437 (1992)
  7. A. Mizuno, F. Mori, T. Imai and I. Nakahori: Emergency Ventilation control for a tunnel with longitudial and transverse systems combined, 11th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, pp.893-906 (2003)
  8. A. Mizuno, N. Kawabata, F. Mori, T. Ogawa, T. Imai, I. Nakahori and A. mitani: Numerical Simulation Models for Fire Tests in the Higashiyama Tunnels, Fifth International Conference, pp.131-140 (2004)
  9. Akisato Mizuno and Tatsuo Kanoh: On the one-dimensional equation of motion for the numerical simulation of transversely ventilated road tunnels, Proceedings of the 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, on CD-ROM, (1999)
風速解析、煙挙動解析
トンネル換気シミュレーションの主体は風速解析である。風速解析はトンネル内の空気の運動を、非圧縮の仮定のもとに、ニュートンの運動方程式を解くことにより行われる。
得られた風速から、火災による煙の挙動の1次元解析が行われる。これは1次元の移流拡散方程式を解くことにより解析するが、一般的には拡散を無視することが多い。実際には数値誤差に起因する拡散効果が多かれ少なかれ、現れることが多い。
1次元の煙解析で、安全確保が十分できないようなクリティカルな状況に対しては、煙挙動を3次元(または2次元)で行い、避難する人の背丈の高さにおける煙濃度が許容範囲であるかどうかの判定をすることも必要になろう。