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문제 정의
- 본 연구에서는 일정한 크기의 개구부가 있는 3 차원 실내 공간에서 메탄올을 연료로 하는 사각 용기를 화원으로 하여 화재의 크기와 화원의 위치에 따른 화염의 구조와 연기 거동의 특성을 알아보기 위한 실험을 수행하였으며 더불어 화재 현상을 예측하기 위한 상용 소프트웨어들과 개발 중인화재 모델들의 검증에 유용한 데이터를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 높이에 대한 예측은 Hansell。) 이 제안한 Entrainment Factor(EF)를 사용하였을 경우 실험치와 10%내에서 예측하였으며 반면에 Z*° ukosk )와 Mirror Mod"")에서 제안된 EF 값을 적용하였을 경우는 실험치와 각각 26%와 19%내에서 예측하였다. 따라서 벽 영향이 있는 경우 평균 화염 높이에 대한 예측은 Hansell 이 제안한 EF 값을 사용하는 것이 좀더 타당함을 확인할 수 있었다.
- (1) 개구부가 있는 실내공간에서 중심형 화재, 벽체형 화재 그리고 모서리형 화재가 발생하였을경우 화염의 구조와 연기거동을 살펴보기 위해 정상 상태 시간, 개구부에서의 중립면 높이, 공기 질량 유입률, 화염 기울기, 평균 화염 높이 그리고 더운 경계층의 평균온도 등을 측정하였다.
- 어렵다. 본 연구에서는 Emmons(m가 제안한 최대 온도 구배인 점을 경계층으로 설정하는 최대 구배법(maximum gradient method)을 적용하여 개구부의 중립면에서 측정된(Fig. 1 에서 T13-T24) 수직 온도분포에서 최소 기울기를 갖는 점을 개구부에서의 중립면 높이로 정하였다.
- 1 의 C 위치에 놓여 있다. 사각 용기는 정사각형으로 한 변의 길이가 15cm (화재 크기 7.65kW), 25cm (화재 크기 21.25kW) 그리고 39cm (화재 크기 51.71kW)인 2mm 두께의 철판을 사용하였고 각각의 발열량은 로드 셀(load cell)로 연소량을 측정하여 얻어졌다 K-type thermocouple (측정 범위:-27O°C~13OO°C)이 개구부 중심에서의 온도 분포와 모서리에서의 온도 분포를 측정하기 위해 Fig. 1 에서와 같이 설치되었다. 화염의 기울기를 관찰 하기위해 한쪽 벽면에 디지털 비디오 카메라가 설치되었으며 또힌벽체형과 모서리형 화재에서 화염의 높이를 측정하기 위해 화원의 뒤쪽 벽면에 cm 단위의 높이를 표시하고 화염과 마주보는 위치인 개구부와 투명아크릴 벽면에 디지털 비디오 카메라를 설치하여 초당 30fiam 의 영상을 기록하도록 하였다
- 화재의 크기가 증가할수록 정상 상태에 이르는 시간은 감소하지만 화원 주위에 벽의 영향이 클수록 정상상태에 이르는 시간은 증가함을 볼 수 있다 (Table 1 에서 세 번째 column). 여기서 정상 상태란 개구부에서 외부공기의 유입량과 연기의 배출량이 질량균형을 이루는 상태로서 본 실험에서는 연기거동 변화에 가장 민감한 개구부의 가장 위쪽 부근인 T14 열전대의 평균 온도가 거의 일정해지고 반응진폭이 균일해지는 시간을 기준으로 하였다. 또한 온도가 반응하는 진폭은 화재 크기가 증가할수록 커짐을 볼 수 있으며 같은 크기의 화재라도 벽 영향이 큰 모서리형 화재인 경우 불규칙적이고 가장 큰 진폭을 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 5m 사각 가스버너로 실험을 수행하여 벽체형 화재의 경우 연속(continuous) 화염 높이가 중심형 화재보다 22% 증가됨을 보였으며 모 서리형 화재의 경우 연속 화염 높이와 최대 화염 높이가 중심형 화재 보다 각각 23%와 67%가증가됨을 보였다. 정진용 등⑶은 SMEP 코드를 이용하여 실내화재에서 연기거동에 미치는 복사영향에 대한 수치해석을 수행함으로써 화재에서 복사열 전달의 중요성을 보여 주었다. 이와 같이 화재 현상을 예측하고 해석하기 위한 많은 모델들과 실험이 수행되고 있지만 아직까지 화재 현상을 적절히 예측하기 위한 상용 소프트웨어 또는 개발 중인 소프트웨어들의 검증을 위한 실험 데이터들이 부족한 실정이다.
- 1 에서와 같이 설치되었다. 화염의 기울기를 관찰 하기위해 한쪽 벽면에 디지털 비디오 카메라가 설치되었으며 또힌벽체형과 모서리형 화재에서 화염의 높이를 측정하기 위해 화원의 뒤쪽 벽면에 cm 단위의 높이를 표시하고 화염과 마주보는 위치인 개구부와 투명아크릴 벽면에 디지털 비디오 카메라를 설치하여 초당 30fiam 의 영상을 기록하도록 하였다
대상 데이터
- 화염부근의 벽면은 7mm 의 두께를 갖는 석면판을 사용하였으며 개구부 벽면은 10mm 두께의 아크릴판 그리고 나머지 천장과 벽면들은 7mm 두께의 아크릴판을 사용하여 단열 벽면을 구성하였다. 연료는 순도 99%의 메탄올을 사용하였으며 사각 용기는 중심형 화재인 경우 바닥의 중앙면 (Fig. 1 의 A)에 벽체형 화재인 경우 개구부에서 반대쪽 벽의 중앙면 (Fig. 1 의 B)에 그리고 모서리형 화재인 경우 Fig. 1 의 C 위치에 놓여 있다. 사각 용기는 정사각형으로 한 변의 길이가 15cm (화재 크기 7.
- 18m 인 개방된 개구부가 중앙 면에 놓여 있다. 화염부근의 벽면은 7mm 의 두께를 갖는 석면판을 사용하였으며 개구부 벽면은 10mm 두께의 아크릴판 그리고 나머지 천장과 벽면들은 7mm 두께의 아크릴판을 사용하여 단열 벽면을 구성하였다. 연료는 순도 99%의 메탄올을 사용하였으며 사각 용기는 중심형 화재인 경우 바닥의 중앙면 (Fig.
이론/모형
- 본 연구에서 개구부에서의 공기 유입률(7丸)은 모서리에서 얻어진(Fig. 1 에서 T1~T12) stack 수직 온도분포로부터 다음과 같은 McCaffre舟)의 실험식으로부터 구하였다.
성능/효과
- (2) 화원부근에 벽이 존재하지 않은 중심형 화재의 경우 화재 크기가 커질수록 개구부에서 공기 질량 유입률, 화염 기울기, 평균 화염 높이 그리고 더운 경계층의 평균온도가 증가하였으며 반면에 화재가 정상상태에 이르는 시간과 개구부에서의 중립면 높이는 감소하였다. 이것은 화재가 커질수록 화염으로의 공기 유입률과 부력이 커지게 되어 난류 확산과 복사 열 전달이 증가하기 때문이다.
- (3) 화원에 수직 벽이 인접한 벽체형 화재나 모 서리형 화재의 경우 바닥의 중심에 있는 중심형 화재보다 정상상태 시간, 개구부에서의 중립면 높이, 평균 화염높이 그리고 더운 경계층의 평균온도가 높았으며 반면에 개구부에서의 공기 질량 유입률은 낮게 측정되었다. 이것은 벽 영향으로 인하여 평균 화염 높이는 증가하나 화염으로의 공기 유입량이 감소하고 열 유속이 증가하기 때문이다.
- Kerrison 등⑹은 실내화재에서 출구의 폭과 화재 크기를 함수로 하는 공기 유입률, 출구에서 중립 평면 높이 그리고 더운 경계층의 평균 온도 등을 실험하고 FL0W3D 소프트웨어를 사용하여 수치해석 하였는더】, 단열(adiabatic) 경계조건을 주었을 때보다 등온(isothermal) 경계조건을 적용하였을 때가 실험치와 더욱 근사한 결과를 얻을 수 있음을 보여 주었다. Poreh 등⑺은 벽체형 화재와 모 서리형 화재를 실험 측정하여 화염의 높이와 연기생성율에 대한 모델들을 비교 분석한 바 있고, Hasemi 등⑴은 0.5m 사각 가스버너로 실험을 수행하여 벽체형 화재의 경우 연속(continuous) 화염 높이가 중심형 화재보다 22% 증가됨을 보였으며 모 서리형 화재의 경우 연속 화염 높이와 최대 화염 높이가 중심형 화재 보다 각각 23%와 67%가증가됨을 보였다. 정진용 등⑶은 SMEP 코드를 이용하여 실내화재에서 연기거동에 미치는 복사영향에 대한 수치해석을 수행함으로써 화재에서 복사열 전달의 중요성을 보여 주었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 화재 크기가 커질수록 더운 연기층이 바닥 가까이 내려오게 됨을 알 수 있고 또한 연기층의 온도도 증가함을 확인할 수 있다. Fig.
- 따라서 벽 영향이 있는 경우 평균 화염 높이에 대한 예측은 Hansell 이 제안한 EF 값을 사용하는 것이 좀더 타당함을 확인할 수 있었다.
- 63 인 경우 실험치와 19%내에서 예측한다. 따라서 벽체형 화재에서 벽의 영향을 고려하여 평균 화염높이를 구할 경우 Hansell⑸이 제안한 EF=0.75 값을 적용하는 것이 보다 타당함을 확인할 수 있다. 한편 모서리형 화재의 경우 (Table 1 에서 일곱번째 column) Hansell” 이 제안한 EF=0.
- 71kW 일 때 화원의 위치가 바닥의 중심에 있는 경우 (Center Fire), 화원이 한쪽 벽에 접한 경우 (Wall Fire) 그리고 화원이 두개의 수직 벽에 접한 경우 (Comer Fire)에 대하여 개구부이서의 수직 온도분포를 보여주고 있다. 화원 주위에 접한 수직 벽의 영향이 클수록 개구부에서 중립면의 높이가 높아지고 (Table 1 에서 네 번째 column) 중립면의 위쪽에 해당하는 연기층의 온도는 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 두개의 수직 벽이 접해있는 모 서리형 화재의 경우 벽 영향으로 인해 공기의 질량 유입률이 감소하여 얇은 천장제트를 형성하게 된다.
후속연구
- (5) 본 실험연구를 통하여 실내화재에서 화원의 위치에 따른 벽 영향이 화염 구조와 연기 거동에 중요한 요소임을 확인할 수 있었으며 측정된 실험데이터들은 화재소프트웨어 개발과 검증을 위한 유용한 자료가 될 것으로 사료된다.
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