환기조건의 변화에 따른 구획화재의 현상 규명을 위하여, 1/4 축소된 ISO 9705 표준화재실에서 수직 개구부의 형상(종횡비) 및 위치변화에 따른 열적특성 변화에 관한 실험 및 수치해석 연구가 수행되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
우선적으로 환기조건에 따른 FDS의 예측성능은 수치결과와 OECD/ NEA 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)을 통해 얻어진 실험결과와의 비교를 통해 평가되었다. 단순한 연소모델의 적용으로 발생되는 FDS의 본질적인 한계를 제외하고 FDS 수행과정에서 발생되는 사용자 의존성에 따른 FDS의 예측결과 차이를 명확히 확인하기 위하여, 과환기 화재조건이 먼저 검토되었다. 강제 환기가 적용된 실험에 대하여, 정확한 ...
환기조건의 변화에 따른 구획화재의 현상 규명을 위하여, 1/4 축소된 ISO 9705 표준화재실에서 수직 개구부의 형상(종횡비) 및 위치변화에 따른 열적특성 변화에 관한 실험 및 수치해석 연구가 수행되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
우선적으로 환기조건에 따른 FDS의 예측성능은 수치결과와 OECD/ NEA 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)을 통해 얻어진 실험결과와의 비교를 통해 평가되었다. 단순한 연소모델의 적용으로 발생되는 FDS의 본질적인 한계를 제외하고 FDS 수행과정에서 발생되는 사용자 의존성에 따른 FDS의 예측결과 차이를 명확히 확인하기 위하여, 과환기 화재조건이 먼저 검토되었다. 강제 환기가 적용된 실험에 대하여, 정확한 경계조건이 부여된 FDS는 다중 구획 내부의 온도, 열유속 및 농도를 정량적으로 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 밀폐된 구획에서 발생된 환기부족화재의 조건에서, FDS에 적용된 소화모델의 기본값은 인위적인 소화 및 재점화 현상을 동반하며, 해당 연료에 대한 수정된 소화모델의 정보가 적용되었을 때 환기부족화재에 대한 FDS의 결과는 실험결과를 잘 예측하고 있음을 확인하였다.
구획화재의 열적특성을 표현할 수 있는 변수로서 총괄당량비 개념이 검토되었다. 총괄당량비는 이론적 최대 공기 유입량을 의미하는 환기인자가 동일한 수직 개구부의 형상들에 대하여 프로판 기체연료(C3H8)의 유량을 통해 조절되었다. 1/4 축소된 ISO 9705 표준 화재실에서의 실험을 통해 고온 상층부의 온도분포와 화염거동은 총괄당량비를 통해 명확하게 표현될 수 있다. 실험결과와 상세반응기구를 이용한 PSR 결과와의 비교를 통해 일반적으로 예혼합화염에서 적용되는 당량비와 유사한 개념으로 적용될 수 있음을 확인0하였다.
고정된 환기인자를 갖는 수직 개구부의 형상(즉, 종횡비) 변화는 구획 내부의 온도 및 열유속 변화에 큰 영향을 미친다. 개구부의 형상이 DW05에서 DW20으로 변화될 때 공기유입량은 점차적으로 감소되며, 총괄당량비의 개념을 이용하여 구획 내부의 온도 및 열유속의 증가 및 감소 경향은 명확하게 설명되었다. 개구부 형상변화에 따른 개구부의 유동 및 연료/공기의 혼합현상을 포함한 다차원 유동 및 화재특성은 신뢰도가 확보된 수치해석 결과를 통해 상세히 분석되었다. 추가로 액체 연료(Heptane)의 실험을 통해 개구부의 형상변화는 화염으로부터의 복사 열전달과 연료 표면의 기화현상의 복잡한 상호작용을 통해 열적특성뿐만 아니라 화재 지속시간의 변화가 발생됨을 확인하였다.
개구부의 위치변화 (즉, 창문의 위치변화) 역시 구획 내부의 온도 및 열유속의 변화에 큰 영향을 미치고 있다. 특히 개구부의 형상변화와 비교할 때 개구부의 위치변화는 평균 화염면의 위치 및 재순환 유동구조의 큰 변화를 가져온다. 예측된 공기 유입량을 통해 총괄당량비에 따른 구획 내부의 열적 특성이 설명되었다. 다만 개구부의 위치변화로 인하여 최대 온도가 발생되는 총괄당량비의 범위는 기존 당량비(1.0~1.05)와 비교할 때 다소 연료-희박한 조건으로 이동하였음을 알 수 있었다. 마지막으로 이론 공기 유입량을 결정할 수 있는 단순한 경험식에 총괄당량비 계수, 개구부의 형상 및 위치를 고려한 계수의 도입을 통해 아래의 식과 같이 실제 공기 유입량을 예측할 수 있는 가능성이 확인되었다: .
환기조건의 변화에 따른 구획화재의 현상 규명을 위하여, 1/4 축소된 ISO 9705 표준화재실에서 수직 개구부의 형상(종횡비) 및 위치변화에 따른 열적특성 변화에 관한 실험 및 수치해석 연구가 수행되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
우선적으로 환기조건에 따른 FDS의 예측성능은 수치결과와 OECD/ NEA 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)을 통해 얻어진 실험결과와의 비교를 통해 평가되었다. 단순한 연소모델의 적용으로 발생되는 FDS의 본질적인 한계를 제외하고 FDS 수행과정에서 발생되는 사용자 의존성에 따른 FDS의 예측결과 차이를 명확히 확인하기 위하여, 과환기 화재조건이 먼저 검토되었다. 강제 환기가 적용된 실험에 대하여, 정확한 경계조건이 부여된 FDS는 다중 구획 내부의 온도, 열유속 및 농도를 정량적으로 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 밀폐된 구획에서 발생된 환기부족화재의 조건에서, FDS에 적용된 소화모델의 기본값은 인위적인 소화 및 재점화 현상을 동반하며, 해당 연료에 대한 수정된 소화모델의 정보가 적용되었을 때 환기부족화재에 대한 FDS의 결과는 실험결과를 잘 예측하고 있음을 확인하였다.
구획화재의 열적특성을 표현할 수 있는 변수로서 총괄당량비 개념이 검토되었다. 총괄당량비는 이론적 최대 공기 유입량을 의미하는 환기인자가 동일한 수직 개구부의 형상들에 대하여 프로판 기체연료(C3H8)의 유량을 통해 조절되었다. 1/4 축소된 ISO 9705 표준 화재실에서의 실험을 통해 고온 상층부의 온도분포와 화염거동은 총괄당량비를 통해 명확하게 표현될 수 있다. 실험결과와 상세반응기구를 이용한 PSR 결과와의 비교를 통해 일반적으로 예혼합화염에서 적용되는 당량비와 유사한 개념으로 적용될 수 있음을 확인0하였다.
고정된 환기인자를 갖는 수직 개구부의 형상(즉, 종횡비) 변화는 구획 내부의 온도 및 열유속 변화에 큰 영향을 미친다. 개구부의 형상이 DW05에서 DW20으로 변화될 때 공기유입량은 점차적으로 감소되며, 총괄당량비의 개념을 이용하여 구획 내부의 온도 및 열유속의 증가 및 감소 경향은 명확하게 설명되었다. 개구부 형상변화에 따른 개구부의 유동 및 연료/공기의 혼합현상을 포함한 다차원 유동 및 화재특성은 신뢰도가 확보된 수치해석 결과를 통해 상세히 분석되었다. 추가로 액체 연료(Heptane)의 실험을 통해 개구부의 형상변화는 화염으로부터의 복사 열전달과 연료 표면의 기화현상의 복잡한 상호작용을 통해 열적특성뿐만 아니라 화재 지속시간의 변화가 발생됨을 확인하였다.
개구부의 위치변화 (즉, 창문의 위치변화) 역시 구획 내부의 온도 및 열유속의 변화에 큰 영향을 미치고 있다. 특히 개구부의 형상변화와 비교할 때 개구부의 위치변화는 평균 화염면의 위치 및 재순환 유동구조의 큰 변화를 가져온다. 예측된 공기 유입량을 통해 총괄당량비에 따른 구획 내부의 열적 특성이 설명되었다. 다만 개구부의 위치변화로 인하여 최대 온도가 발생되는 총괄당량비의 범위는 기존 당량비(1.0~1.05)와 비교할 때 다소 연료-희박한 조건으로 이동하였음을 알 수 있었다. 마지막으로 이론 공기 유입량을 결정할 수 있는 단순한 경험식에 총괄당량비 계수, 개구부의 형상 및 위치를 고려한 계수의 도입을 통해 아래의 식과 같이 실제 공기 유입량을 예측할 수 있는 가능성이 확인되었다: .
To investigate the fire phenomena inside a compartment with the change in ventilated condition, experimental and numerical studies was carried out to examine the thermal characteristics in a reduced ISO 9705 room for the different configurations (i.e., aspect ratios) and locations of vertical openin...
To investigate the fire phenomena inside a compartment with the change in ventilated condition, experimental and numerical studies was carried out to examine the thermal characteristics in a reduced ISO 9705 room for the different configurations (i.e., aspect ratios) and locations of vertical opening. FDS(Fire Dynamics Simulator) recognized as a representative field model was used in the present study. The obtained results were as follows:
First of all, the predictive performance of FDS(Fire Dynamics Simulators) was evaluated through a comparison of the numerical data with experimental data obtained by the OECD/NEA PRISME project. To identify clearly the FDS results regarding to the user-dependence in the process of FDS implementation except for the intrinsic limitation of FDS such as simple combustion model, the over-ventilated fire condition was firstly examined. For the compartment fire with mechanically ventilated system, it was found that the FDS imposed an accurate ventilation B.C. provided qualitatively good agreement with temperatures, heat fluxes and concentrations measured inside the compartments. For the under-ventilated fire in well-confined compartments, The default information of suppression model applied within FDS resulted in artificial phenomena such as flame extinction and re-ignition, and thus the FDS results on the under-ventilated fire showed good agreement with the experimental results as the modified suppression criteria of the fuel used was adopted.
The concept of global equivalence ratio was examined as a parameter expressible the thermal characteristics of compartment fires. The global equivalence ratio was changed through the change in the volume flow rate of gas fuel (C3H8) for various configuration of vertical opening. Then the openings have an identical ventilation factor and thus a theoretical maximum inflow of ambient air. It was found that in the experiment using 1/4 reduced ISO 9705 room, the fire dynamics and temperature distributions in upper layer was obviously expressed by the global equivalence ratio. In addition, it was confirmed that the global equivalence ratio could be used with the similar concept of equivalence ratio used in a general premixed flame through the comparison between the experimental data and simulated PSR(Perfectly Stirred Reactor) data using detailed chemistry.
It was known that variations in opening configuration (i.e., aspect ratio) with the fixed ventilation factor affected significantly the changes in temperature and heat flux inside the compartment. When the configuration was change from DW05 to DW20, air mass flow rate entrained into the opening was gradually decreased. The changes in temperature and heat flux inside the compartment were clearly explained using the concept of global equivalence ratio. These results were also analyzed in details by the multi-dimensional flow and fire characteristics including the vent flow and fuel/air mixing phenomena with reliable numerical results. In addition, it was found that in a liquid (heptane) pool fire experiments, the variations of opening configuration led to the considerable change in fire duration time as well as thermal characteristics through the complex interaction between radiation heat transfer from flame surface and evaporation phenomena on fuel surface.
Variations of opening location (i.e., window location) also affected significantly the changes in temperature and heat flux inside the compartment. In particular, the variations of opening location led to the considerable changes in mean flame location and recirculating flow structure. The thermal characteristics inside the compartment also were explained by the global equivalence ratio obtained from the predicted air flow rate. It was known that however the range of global equivalence ratio having a maximum temperature was shifted to somewhat leaner condition compared to the original range of equivalence ratio (1.0~1.05). Finally, the potential to estimate the real air flow rate was found through the introduction two coefficients into the simple empirical equation; the coefficients of global equivalence ratio, opening configuration and location as follows: .
To investigate the fire phenomena inside a compartment with the change in ventilated condition, experimental and numerical studies was carried out to examine the thermal characteristics in a reduced ISO 9705 room for the different configurations (i.e., aspect ratios) and locations of vertical opening. FDS(Fire Dynamics Simulator) recognized as a representative field model was used in the present study. The obtained results were as follows:
First of all, the predictive performance of FDS(Fire Dynamics Simulators) was evaluated through a comparison of the numerical data with experimental data obtained by the OECD/NEA PRISME project. To identify clearly the FDS results regarding to the user-dependence in the process of FDS implementation except for the intrinsic limitation of FDS such as simple combustion model, the over-ventilated fire condition was firstly examined. For the compartment fire with mechanically ventilated system, it was found that the FDS imposed an accurate ventilation B.C. provided qualitatively good agreement with temperatures, heat fluxes and concentrations measured inside the compartments. For the under-ventilated fire in well-confined compartments, The default information of suppression model applied within FDS resulted in artificial phenomena such as flame extinction and re-ignition, and thus the FDS results on the under-ventilated fire showed good agreement with the experimental results as the modified suppression criteria of the fuel used was adopted.
The concept of global equivalence ratio was examined as a parameter expressible the thermal characteristics of compartment fires. The global equivalence ratio was changed through the change in the volume flow rate of gas fuel (C3H8) for various configuration of vertical opening. Then the openings have an identical ventilation factor and thus a theoretical maximum inflow of ambient air. It was found that in the experiment using 1/4 reduced ISO 9705 room, the fire dynamics and temperature distributions in upper layer was obviously expressed by the global equivalence ratio. In addition, it was confirmed that the global equivalence ratio could be used with the similar concept of equivalence ratio used in a general premixed flame through the comparison between the experimental data and simulated PSR(Perfectly Stirred Reactor) data using detailed chemistry.
It was known that variations in opening configuration (i.e., aspect ratio) with the fixed ventilation factor affected significantly the changes in temperature and heat flux inside the compartment. When the configuration was change from DW05 to DW20, air mass flow rate entrained into the opening was gradually decreased. The changes in temperature and heat flux inside the compartment were clearly explained using the concept of global equivalence ratio. These results were also analyzed in details by the multi-dimensional flow and fire characteristics including the vent flow and fuel/air mixing phenomena with reliable numerical results. In addition, it was found that in a liquid (heptane) pool fire experiments, the variations of opening configuration led to the considerable change in fire duration time as well as thermal characteristics through the complex interaction between radiation heat transfer from flame surface and evaporation phenomena on fuel surface.
Variations of opening location (i.e., window location) also affected significantly the changes in temperature and heat flux inside the compartment. In particular, the variations of opening location led to the considerable changes in mean flame location and recirculating flow structure. The thermal characteristics inside the compartment also were explained by the global equivalence ratio obtained from the predicted air flow rate. It was known that however the range of global equivalence ratio having a maximum temperature was shifted to somewhat leaner condition compared to the original range of equivalence ratio (1.0~1.05). Finally, the potential to estimate the real air flow rate was found through the introduction two coefficients into the simple empirical equation; the coefficients of global equivalence ratio, opening configuration and location as follows: .
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