[논문]<tex>$CO_2$</tex> 소화제 노즐 분사각 및 분사속도가 <tex>$CO_2$</tex> 농도분포특성에 미치는 영향에 관한 수치적 연구

박찬수

$CO_2$ 소화제 노즐 분사각 및 분사속도가 $CO_2$ 농도분포특성에 미치는 영향에 관한 수치적 연구
A Numerical Simulation of the Effect of the Injection Angle and Velocity of the $CO_2$ Agent Nozzle on the Characteristics of $CO_2$ Concentration Distribution 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.20 no.2 = no.62, 2006년, pp.44 - 53

초록
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선박에 설치되는 고정식 $CO_2$ 소화장치의 구성요소 중 하나인 $CO_2$ 소화제분사노즐의 분사각과 분사속도가 유동 및 $CO_2$ 농도분포특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 전산모의실험을 2차원 비정상상태로 수행하였다. 유동장과 $CO_2$ 소화제 농도장을 계산하여 분석하였다. 소화제 분사노즐의 조건에 따라 유동형태의 상이성을 확인할 수 있었으며, 모든 소화제 분사노즐조건에서 와류가 형성되는 영역으로부터 주위로 등농도선대가 확장됨을 알 수 있었다. 소화제 분사노즐각에 따라 계산영역의 밑바닥면을 따르는 벽면제트기류의 강도가 다르게 나타났고, 등농도선대가 확장 또는 축소됨을 예측 가능하였다. $CO_2$ 소화제 분사유량을 일정하게 유지한 상태에서 소화제 분사속도를 증가시키는 것이 감소시키는 것 보다 더 높은 $CO_2$ 등농도선대가 밑바닥면 상에 형성될 것으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have conducted a numerical simulation under two-dimensional unsteady conditions in order to analyze the effect according to the injection angle and velocity of the $CO_2$ agent nozzle which is one of the elements for the fixed type $CO_2$ fire extinguishing system installed in a ship on the characteristics of flow and $CO_2$ concentration distribution. The flow fields and concentration fields were measured and analyzed. We can found that the difference of flow patterns according to the conditions of $CO_2$ agent injection nozzle, and in all the conditions of $CO_2$ agent injection nozzle, the iso-concentration line was expanded from the region at which vortex was generated to the surroundings. We can expected that the intensity of the wall jet on the bottom floor was generated differently and the iso-concentration lines were expanded or shrunk according to the angle of $CO_2$ agent injection nozzle. In case of increasing $CO_2$ agent injection velocity maintaining the flow quantity of the $CO_2$ agent injection equally, the iso-concentration line of $CO_2$ agent on bottom floor can be formed more higher than in case of decreasing $CO_2$ agent injection velocity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 가스계 소화제의 노즐 각과 분사 속도에 따른 유동 및 물질 전달 특성에 관한 연구는 찾아보기 어렵다. 따라서 가스계 소화제의 분사노즐에 관한 연구가 필요하며, 본 연구에서는 CO2 소화제 분사 노즐의 각도, 분사 속도 및 분사 노즐 위치 등을 변화시키면서 나타나는 유동 특성 및 CO2 소화제농도 분포에 대한 연구를 수행하여 CO2 소화장치 설계 시 분사노즐 선정에 있어서 고려되어져야 할 노즐 조건에 따른 특성들을 예측하여 제시하고자 한다.
본 연구에서는 일정한 공간에 한 개의 CO₂ 소화제 분사 노즐로부터 co2 소화제를 분사하였을 시 소화제 분사 노즐각 및 소화제 분사 속도가 유동 및 CO₂ 소화제 농노분포늑성에 미치는 영향을 분석하였다. 소화제 분사노즐각은 천장에 수직인 경우, 천장에 수평인 경우, 천장과 15°, 30° & 45°인 경우를 선정하였고, 소화 제분사 속 노는 10m/s(레이놀즈수2, 300이상을 기준으로 하여 선정함)을 기준으로 하여 1.
본 연구에서는 체적이 일정한 공간에 한 개의 co2 분사 노즐로부터 소화제를 분사하였을 시 소화제 분사 노즐각 및 소화제 분사 속도가 유동 및 co2 소화제 농 도분포 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 소화제 분사 노즐각과 분사 속도를 변화시키 면서 전산모의실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론들을 예측 가능 하였다.

제안 방법

소화제 농노분포늑성에 미치는 영향을 분석하였다. 소화제 분사노즐각은 천장에 수직인 경우, 천장에 수평인 경우, 천장과 15°, 30° & 45°인 경우를 선정하였고, 소화 제분사 속 노는 10m/s(레이놀즈수2, 300이상을 기준으로 하여 선정함)을 기준으로 하여 1.5배(15m/s) 증가시킨 경우와 0.5배(5m/s) 감소시킨 경우를 선정하였으며, 소화제분사 유량을 일정하게 유지한 상태에서 각 경우에 대한 유동 특성 및 CO₂ 소화제 농도분포 변화를 고찰하였다. 소화제 분사노즐의 각을 변화시켰을 경우 0.
5배(5m/s) 감소시킨 경우를 선정하였으며, 소화제분사 유량을 일정하게 유지한 상태에서 각 경우에 대한 유동 특성 및 CO₂ 소화제 농도분포 변화를 고찰하였다. 소화제 분사노즐의 각을 변화시켰을 경우 0.10 이상의 등농노선 대가 개구부에 이르는 시간대(2.9 sec)를 선정하여 이 시간대의 유동장과 농도장을 비교 분석하였다.
개구부는 구배가 "0"인 대기압 조건이다. 소화제 분사노즐크기는 0.55cm²(실제 노즐의 크기)를 기준으로 하고 유량은 일정하게 유지한 상태에서 소 화제 분사속도에 따라 노즐크기를 계산하여 변화시켰 다. 분사노즐 크기에 상당하는 소화제 분사 속도는 10 m/ s를 기준으로 1.

대상 데이터

1과 같다. 소화제 분사노즐각 및 분사 속도의 변화에 따른 유동 특성과 농도분포 특성만을 해석하기 위하여 1m×lm의 단순한 모델을 해석 영역으로 선정하였다. 해석 영역을 I m X 1.
소화제 분사노즐각 및 분사 속도의 변화에 따른 유동 특성과 농도분포 특성만을 해석하기 위하여 1m×lm의 단순한 모델을 해석 영역으로 선정하였다. 해석 영역을 I m X 1.이의 단순한 모델로 선정한 것은 한 개의 분사노즐 조건에 따라야기되는 유동 및 농도분포 특성만을 분석하고자 함이며, 선박기관실 내에 구획으로 나누어져 있는 특별한 기기실의 길이와 높이의 비가 2:1에 근접한 경우를 단순 모델로 선정하였다. 실험의 편이를 위하여 소화제 분사 노즐을 기준으로 대칭 조건으로 하였으며, 해석 영역에는 두 개의 벽과 1개의 개구부가 있으며, 해석의 편이를 위하여 위측벽을 천장으로, 아래 측 벽을 밑바닥면으로 호칭하고자 한다.

이론/모형

검사체적에 기초한 유한체적 방법 (Control-volume based finite difference method)을 이용하는 상용코드인 Fluent 5.3버전을 사용하였고, Up-wind scheme 및 Simple algorithm을 적용하였으며 난류 모델로는 표준k-8 모델을 사용하였다.

성능/효과

2의 (c)와 Fig. 8의 (b)보다 더 높은 등농도선대가 형성되고, 분사노즐 바로 밑에서부터 등농도선대가 개구부 측으로 확장됨을 보이고 있다. 반면에 밑바닥면상에 형성되는 0.
1. 소화제 분사노즐의 조건에 따라 예상 가능한 유동 패턴의 상이성을 확인할 수 있었다.
2. 모든 분사노즐의 조건에서 와류가 형성되는 영역에서 등농도 선대가 주위로 확장됨을 알 수 있었다.
3. 소화제 분사노즐각이 15°와 30°일 경우는 밑바닥면을 따르는 제트기류가 분사노즐각이 천장과 수직인 경우보다 더 강해지고 높은 등농동선대가 밑바닥 면상 의 전 영역으로 확장되지만 분사노즐각이 45°일 경우는 밑바닥면상에 형성된 0.10 이상의 등농도 선대는 분사노즐각이 15°및 30°일 경우 보다 축소되는 경향을 보였다.
4. 소화제 분 사유량이 일정한 상태에서 분사 속도를 증가시킨 경우가 감소시킬 경우보다 더 높은 등농도 선 대가 밑바닥면 상의 넓은 영역에 형성될 것으로 예측 되었다.
5. 소화제 분사노즐의 높이에 따라 밑바닥면상에 0.10 이상의 등농도 선대가 형성되지 않고 있어 분사노즐의 높이에 따른 분사 속도를 고려해야 할 것으로 생각된다.
6. 각 경우의 질량분포 비교에서는 노즐분 사각이 30° 이하인 경우는 한 노즐의 방호영역이 넓은 조건에 적합하고, 노즐분 사각이 45°인 경우는 분사노즐 하의 방호영역을 순간적으로 에워싸야 하는 조건에 합당할 것으로 예측된다.
농도 분포에서는 분사류로 유입되는 기류의 영향으로 밑바닥 면에 근접할수록 0.10 이상의 농도 분포대가 영역의 우측으로 확장됨을 알 수 있고, 상승 기류로 인하여 좌측 밑바닥면 모서리 부근으로부터 영역의 중앙을 향해 물질 전달이 일어남을 보여주고 있다.
사용된 격자수는 100X100이며 소화제 분사 노즐을 기준으로 밑바닥면과 개구부로 근접할수록 격자의 간격이 커지는 격자 형태를 사용하였고, 수렴 조건은 각 검사체적에서 계산한 잔류 생성항의 절대 치 합이 10-3 이하이고, 일정한 지점에서 속도와 같은 주요 변수들의 반복계산 결과가 거의 변화하지 않을 때를 수렴한 것으로 판단한다. Time stepe 0.

후속연구

7. 전산모의 실험 결과들로부터 선박에 고정식 CO2 소화장치설계 시 소화제 분사 노즐각이나 분사 속도 등의 분사노즐의 조건들이 설치 공간의 특성에 따라 고려되어져야 할 것으로 사료되나 차후 3차원 모의실험과 실험적인 검증이 필요할 것으로 여겨진다.
이것은 분사 속도 감소로 인해 바닥면을 따르는 제트기류가 미약해지기 때문이다. 이상으로부터 소화제 분사 노즐이 설치되는 공간의 특성에 따라 속도증가 조건 및 입구면적 증가 조건을 고려해야 할 것으로 사료된다.

참고문헌 (6)

Anthony Hamins, 'Flame Extinction by Sodium Bicarbonate Powder in a Cup Burner', Twenty-Seventh Symposium on Combustion, pp.2857-2864 (1998)
Nader Vahdat and Yong Zou, 'Fire-extinguishing Effectiveness of New Binary Agents', Fire Safety Journal 38, pp.553-567(2003)

상세보기
S. C. Kim and H. S. Ryou, 'An Experimental and Numerical Study on Fire Suppression Using a Water Mist in an Enclosure', Building and Environment, 38, pp.1309-1316(2003)

상세보기
Juisheng Li, 'Effect of Pressure and Nozzle Shape on the Characteristics of Sprinkler Droplet Spectra', J. agric. Engng Res., pp.15-21(1997)
김윤중, 윤명오, '용기 일체형 가스소화 방식의 오리피스 방사특성에 관한 연구', 한국화재소방학회, 제16권, 제2호, pp.2-9(2002)
박승민, '가스계 소화설비의 개구부를 통한 소화약제 누출 및 보상문제에 관한 소고', 한국화재소방학회, 제16권, 제3호, pp.77-83(2000)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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