[논문]관창의 유동특성에 관한 연구

이동명

초록
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본 연구에서는 관창의 유동특성예측을 위한 해석이론을 정립하고 수치해석으로부터 방수량과 방수형태를 예측하였다. 예측 데이터로부터 관창의 방수형태가 노즐과 니들의 위치에 따라 결정됨을 알 수 있었고, 관창의 유동특성은 노즐과 니들의 형상에 따라 그 특성이 결정됨을 알 수 있었다. 관창의 유동특성과 예측 데이터로부터 화재진압의 효율성을 극대화할 수 있는 새로운 관창의 모델이 제시되었다. 본 연구의 결과가 새로운 모델의 관창을 개발하는데 필요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 보며, 또한 관창의 원천기술 확보, 동종업계의 기술력 파급효과 증대 및 소방분야의 기술개발 활성화 등에 이바지하고 자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study established analysis theory for flow characteristics prediction of the spray nozzle and predicted discharge and discharge type of the spray nozzle from numerical analysis. It could know that discharge type of the spray nozzle from prediction data determine to position of nozzle and needle...

This study established analysis theory for flow characteristics prediction of the spray nozzle and predicted discharge and discharge type of the spray nozzle from numerical analysis. It could know that discharge type of the spray nozzle from prediction data determine to position of nozzle and needle, and flow characteristics prediction of the spray nozzle could know that the characteristics according to shape of nozzle and needle is decided. New model of the spray nozzle that can maximize efficiency of fire suppression from flow characteristics and prediction data of the spray nozzle is presented. The result of this study utilize to data necessary to develop new model of the spray nozzle. Also the result of this study wish to contribute to resource technology security of the spray nozzle, technique ripple effect enlargement of same kind industry and technical development activation of fire protection field etc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 방수량의 조정과 직사와 분무방수의 방수형태를 갖는 가장 대표적인 분무노즐인 소방 자동 차용 관창을 선정하고, 선정된 관창의 유동특성예측을 위한 해석이론과 수치해석으로부터 방수량과 방수형태를 예측하였으며, 예측 데이터로부터 새로운 관창개발 의 모델을 제시하였다. 또한 새로운 모델의 관창을 제 시함으로써 화재진압의 효율성을 높이고, 관창의 원천 기술 확보와 기술의 유연성 구축, 동종업계의 기술력 파급효과 증대 및 소방분야의 기술개발 활성화 등에 이바지하고자 한다.
본 연구에서는 방수량의 조정과 직사와 분무방수의 방수형태를 갖는 가장 대표적인 분무노즐인 소방 자동 차용 관창을 선정하고, 선정된 관창의 유동특성예측을 위한 해석이론과 수치해석으로부터 방수량과 방수형태를 예측하였으며, 예측 데이터로부터 새로운 관창개발 의 모델을 제시하였다. 또한 새로운 모델의 관창을 제 시함으로써 화재진압의 효율성을 높이고, 관창의 원천 기술 확보와 기술의 유연성 구축, 동종업계의 기술력 파급효과 증대 및 소방분야의 기술개발 활성화 등에 이바지하고자 한다.

제안 방법

관창의 유동특성은 Fig. 2에 모델링한 직각과 원추 형상의 니들에 대해 노즐입구의 압력을 2~8bar로 변 화시키면서 범용 유체해석 code인 Phoenicse를 이용하여 시뮬레이션하였고, 니들의 위치에 따라 결정되는 직사방수와 분무방수의 방수형태와 방수형태에 따른 관창출구의 속도분포 등을 살펴보았다.
따라서 관창설계에서 관창의 핵심부품인 노즐과 니 들의 형상설계가 무엇보다 중요하다. 노즐과 니들의 형 상설계에 앞서 관창의 유동특성을 확인하기 위해 유동 해석으로부터 방수형태가 개선될 수 있도록 Fig. 2와 같이 니들의 형상을 직각과 원추형으로 모델링하였다. 관창의 유동특성 해석을 위한 해석조건은 Table 1과 같고, 노즐입구의 직경(DDe 참고문헌 1에서 제시한 관창노즐의 방수량과 노즐압력에 대한 방수량 곡 선으로부터 결정하였다.
분무방수의 경우도 역시 관창입구의 압력을 2~8bar 로 변화시켰을 때 유동특성을 시뮬레이션하였고, 직각 형상의 니들과 원추형상의 니들에 대한 노즐출구의 방 수형태는 압력의 변화에 관계없이 같은 형상을 나타내기 때문에 본 논문에서는 관창입구의 압력이 3bar인 경우만을 Fig. 4에 예시하였다.
직사방수의 경우 관창입구의 압력을 2~8bar로 변 화시켰을 때 유동특성을 시뮬레이션하였고, 직각형상 의 니들과 원추형상의 니들에 대한 노즐출구의 방수형 태는 압력의 변화에 관계없이 같은 형상을 나타내기 때문에 본 논문에서는 관창입구의 압력이 3 bar인 경 우만을 Fig. 3에 예시하였다.

성능/효과

5와 6은 수치해석의 결과로부터 방수형태에 따라 직각니들과 원추니들에 대한 방수량을 나타낸 것이다. Fig. 5와 6에 나타낸바와 같이 두 니들의 방수량은 관창의 관련규정*)에서 제시하는 압력 3kgf/cm²일 때 방수량 380~400 LPM보다는 모두 1.5배 이상의 큰 값 으로 나타냈고, 이론 방수량과는 약 2% 범위 내의 오 차로 두 니들 모두 관창의 새 모델로서 적용이 가능함 을 나타내고 있다.
관창의 유동특성예측을 위한 해석이론의 정립과 수 치해석으로부터 방수량과 방수형태를 예측하였으며, 예 측 데이터로부터 관창의 방수형태가 노즐과 니들의 위 치에 따라 결정됨을 알 수 있었고, 관창의 유동특성은 노즐과 니들의 형상에 따라 그 특성이 결정됨을 알 수 있었으며, 화재진압의 효율성을 극대화할 수 있는 새로운 관창개발의 모델을 제시하였다.
분무방수의 방사각은 디플렉터의 내측각도# 에 따라 방사각을 제한시킬 수 있었고, 관창출구에서 의 압력 역시 직사방수와 마찬가지로 대기 중으로 방 출됨에 따라 관창입구의 압력이 변하더라도 대기압과 같은 크기를 나타냈다. 또한 관창입구의 압력이 같은 경우 직각형과 원추형 니들에 대한 유속과 유동장의 형태가 같게 나타났고, 유동장은 관창출구에서 방수되는 소화용수의 분무방수상태를 잘 나타내고 있다. 직 사방수와 비교해 볼 때 분무방수인 경우에는 압력의 변화에 따른 유선형태의 변화로 인해 니들 후부에서만 캐비티가 형성되는 것을 볼 수 있다.
분무방수인 경우 시뮬레이션 결과로부터 노즐입구압 력이 높아질수록 직각형이나 원추형 니들 모두 직사방 수와 마찬가지로 방수형태에는 큰 차이가 없지만 관창 출구의 유속이 빨라짐을 알 수 있었고, 봉상주수에서 부터 방수되는 방수지름의 크기는 점차 커짐을 알 수 있었다. 분무방수의 방사각은 디플렉터의 내측각도# 에 따라 방사각을 제한시킬 수 있었고, 관창출구에서 의 압력 역시 직사방수와 마찬가지로 대기 중으로 방 출됨에 따라 관창입구의 압력이 변하더라도 대기압과 같은 크기를 나타냈다.
직사방수인 경우 시뮬레이션 결과로부터 관창입구의 압력이 높아질수록 직각형이나 원추형 니들 모두 방수 형태에는 큰 차이가 없지만 노즐출구의 유속이 빨라짐 을 알 수 있었고, 직사방수의 형태는 노즐로부터 3 m 거리에서 약 30.5 cm 원형 내에서 정격 방수량 90%를 방수할 수 있음을 확인하였다. 그리고 방수형태를 보면 노즐커버에 의해 커버의 주변에만 분무방수의 형태를 보이고, 커버를 지난 분류는 곧 바로 직사방수의 형태를 나타내고 있다.

후속연구

본 연구의 결과로부터 새로운 모델의 관창을 개발하 는데 필요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 보며, 또한 관창의 원천기술 확보, 동종업계의 기술력 파급효 과 증대 및 소방분야의 기술개발 활성화 등에 이바지 할 것으로 사료된다.
이상의 결과고찰로부터 유속과 방수량, 방수거리가 원추니들보다 직각니들이 다소 크게 나타났지만, 유동 면적 축소에 따른 유동비의 감소로 인해 압력손실이 커져 캐비테이션이 발생함으로 캐비테이션이 작은 원 추니들을 관창의 새 모델로서 적용하는 것이 바람직할 것이다.

참고문헌 (8)

東京消防機器硏究會, 消防器機便覽, pp.4081-4163(昭和51)
D. F. Young, B. R. Munson, and T. H. Okiishi, Fundamentals fo Fluid Mechanics, Wiley, pp.464-471(2001)
Victor L. Streeter, E. Benjamin Wylie, Fluid Mechanics, McGraw-Hill, 2nd, pp.89-167(1992)
NFPA 1964, 'Standard for spray nozzles (shut-off and tip)'(1993)
KS 규격, KS B6604, '노즐(소화호스용)' (1988)
한국검정고사, '관창의 형식승인 및 검정기술기준', KOFEIS 0702
이동명, 김엽래, 박승옥, '레이저를 이용한 화재진압용 관창개발에 관한 연구', 2003년 한국화재 . 소방학회 춘계학술논문발표회 논문집, pp.157-163(2003)
Phoenics Co., Ltd., Phoenics Manual(2000)

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