[논문]아트리움 공간에서 화재발생시 복사열전달의 영향 분석

윤경범; 장희철; 김태국

아트리움 공간에서 화재발생시 복사열전달의 영향 분석
Effects of Radiation Heat Transfer on the Fire in an Atrium 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.21 no.4, 2007년, pp.18 - 24

윤경범 (중앙대학교 기계공학부 대학원) , 장희철 (중앙대학교 기계공학부 대학원) , 김태국 (중앙대학교 기계공학부)

초록
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본 연구는 아트리움 방호공간에서 화재발생시 복사열전달의 유무에 따른 유동장 및 온도분포의 예측을 목적으로 수치해석을 수행하였다. 화재모델로 Field 모델을 사용하였으며 난류 모델로 SIMPLE 알고리즘이 적용된 표준 $k-{\varepsilon}$ 모델을 사용하였다. 복사열전달 해석에 필요한 복사물성치의 계산은 속도를 단축하며 정확성을 유지하는 WSGGM-RG를 사용하였다. 난류유동장과 복사열전달의 계산은 자체 개발된 CCRHT-3D 프로그램을 사용하였다. 해석결과에 의하면 화재지점을 제외하고 아트리움의 천장부가 높은 온도분포로 나타났다. 유동과 온도의 분포가 출입문 방향으로 편향되고 화재의 위치에서 아트리움의 천장과 벽에 가까워질수록 온도가 낮아지는 경향을 보였다. 이러한 결과는 천장 스프링클러헤드의 작동 시점을 예측하는데 복사열의 영향이 크다는 것을 의미하게 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is focussed on the numerical predictions of temperature distribution by radiation heat transfer in atrium fire using the field fire model and the CCRHT-3D code. This code uses standard $k-{\varepsilon}$ turbulent model with SIMPLE algorithm and weighted sum of gray gases model regrouping(WSGGM-RG). The WSGGM-RG calculates radiative properties on the reduced computational loads while reserving the accuracy. The numerical results show that lower temperature distributions on the wall and the top ceiling wall can be obtained by considering radiative heat transfer. The temperature on the top ceiling wall can be an important parameter in predicting the operating condition of the sprinkler head.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 간단한 구조의 아트리움 내부에서 화재발생시 복사열전달의 유무에 따른 영향을 예측을 위해중앙대학교 에너지시스템 연구실에서 개발한 CCRHT- 3D 코드를 이용하여 비교분석하였다. CCRHT-3D는상용코드 FLUENT v.
본 연구는 화재가 발생한 아트리움을 대상으로 수치해석을 통해 복사열전달에 따른 온도분포의 예측을 수행하였다. 중앙대학교 에너지시스템 연구실에서 개발된 CCRHT-3D 프로그램을 사용하여 난류 유동과 복사 열전달을 계산하였다.

제안 방법

DOMe 복사강도의 방향에 관한 함수 관계를 완화시키기 위하여 임의의 방향(μm, ηm, ζm) 을 중심으로 각도구역 범위 내(μm士dμm/2, ηm士dηm/2, ζm士d ζm/2)의평균복사강도 Im(r) 을 사용하여 복사열전달 방정식을표시하고, 복사생성항 Sm에 나타나는 각도에 대한 적분항은 위치 r 에서 모든 각도구역의 평균복사강도를고려한 합이다.
유동장은 SIMPLE 알고리즘이 적용된 표준 k-e 난류모델을 사용하여 모사하였고 복사 열전달 방정식에 필요한 복사물성치는 정확성을 유지하며 계산시간을 단축시킨 WSGGM-RG를 사용하여 계산하였다. Field 모델을 적용하여 화재에 의한 유속과 온도를 산출하였으며 온도분포의 결과를 높이 5 m, 10 m, 15 m에서 분석하였다. 아트리움 내의 유동과 온도의 분포가 출입문이 있는 벽면으로 편향되는 결과를 나타냈다.
이상에서 얻어진 속도 V와 Trf를 화재로 인한 열방출의 입력 조건으로 사용한다.
중앙대학교 에너지시스템 연구실에서 개발된 CCRHT-3D 프로그램을 사용하여 난류 유동과 복사 열전달을 계산하였다. 유동장은 SIMPLE 알고리즘이 적용된 표준 k-e 난류모델을 사용하여 모사하였고 복사 열전달 방정식에 필요한 복사물성치는 정확성을 유지하며 계산시간을 단축시킨 WSGGM-RG를 사용하여 계산하였다.
화재발생시 복사열전달의 고려 유무에 따른 영향을분석하기 위해 Bl-Section(z=5 m), B2-Section(z=10 m), B3-Section(z=15 m) 및 A-Section(x=5 m)에서 유동과 온도분포를 나타내었다.

대상 데이터

화재시뮬레이션을 위하여 사용된 프로그램은 CCRHT-3D 코드를 이용하였다. 격자구성은 약 56, 000개로 생성하였으며, 속도의 변동이 심한 화재위치와 출구 주변은 정확한 계산을 위해 격자를 조밀하게 구성하였고 Figure 1에 격자계를 보여주고 있다.

이론/모형

12와 유동장과 온도장을 비교하여 매우 유사한 결과를 보인 바 있다.CCRHT-3D 는 난류 유동장을 모사하기 위해 SIMPLE 알고리즘을사용한 표준 k- ε 모델을 사용하였으며, 구분종좌표법(Discrete Ordinates Method, DOM)에 WSGGM-RG를 적용하여 복사열전달을 해석한다.
SIMPLE 알고리즘을 이용한 난류 모델로 표준 k-e 모델을 사용하였으며, Plume이론을 이용하여 2MW 의 열방출율을 화재의 입력조건으로 적용하였다. 벽의 온도는 상온(20。0으로 유지되는 것으로 하였다.
벽의 온도는 상온(20。0으로 유지되는 것으로 하였다. 구분종좌표법 (DOM)에 WSGGM-RG를 적용하여 복사 열전달을 계산하였다. 화재시뮬레이션을 위하여 사용된 프로그램은 CCRHT-3D 코드를 이용하였다.
= N(N + 2) 인 관계가 있다. 복사강도의 생성항에포함된 각도에 대한 적분은 Gaussian 적분법을 이용하며 m번째 각도구역에 대한 가중치 (weighting function)를 적용한다.
나타낸다. 본 연구에서는 정확한 결과를 보이는 Kim과 Song18)이제안한 흡수계수를 이용하여 혼합가스의 흡수계수를다음과 같이 표현하였다.
중앙대학교 에너지시스템 연구실에서 개발된 CCRHT-3D 프로그램을 사용하여 난류 유동과 복사 열전달을 계산하였다. 유동장은 SIMPLE 알고리즘이 적용된 표준 k-e 난류모델을 사용하여 모사하였고 복사 열전달 방정식에 필요한 복사물성치는 정확성을 유지하며 계산시간을 단축시킨 WSGGM-RG를 사용하여 계산하였다. Field 모델을 적용하여 화재에 의한 유속과 온도를 산출하였으며 온도분포의 결과를 높이 5 m, 10 m, 15 m에서 분석하였다.
CFD(Computation Fluid Dynamics)의 급속한발전에 따라 Field 모델도 지속적인 발전이 있었으며국부적인 유동의 속도벡터와 온도 분포를 예측할 수있게 되었다. 최근에 이러한 Field 모델을 이용하여 아트리움 화재에 대해 Chow$는 SIMPLER 알고리즘을사용하여 수치해석하였다.
구분종좌표법 (DOM)에 WSGGM-RG를 적용하여 복사 열전달을 계산하였다. 화재시뮬레이션을 위하여 사용된 프로그램은 CCRHT-3D 코드를 이용하였다. 격자구성은 약 56, 000개로 생성하였으며, 속도의 변동이 심한 화재위치와 출구 주변은 정확한 계산을 위해 격자를 조밀하게 구성하였고 Figure 1에 격자계를 보여주고 있다.

성능/효과

온도분포 단면 및 그래프를 Figure 4와 Figure 5에 각각 나타내었다. 각 높이에서 온도분포와 최고온도의 위치가 출구 방향으로 치우쳐진 것을 확인할 수 있으며 바닥면에서 천장으로 올라갈수록 최고온도가나타나는 위치의 출입문이 위치된 방향으로 편향되는경향을 나타내었다. 복사열전달 고려유무에 따라 비교높이에서 평균 14~16%의 온도 차이를 보이며 천장에가까워질수록 복사열전달의 고려유무에 따라 온도 차이가 커짐을 확인할 수 있었다.
화재에서 발생한 열에 의한 온도분포는 화재지점을 제외한 공간에서 대류의 영향으로 아트리움의 바닥에서 천장으로 올라갈수록 상승하는 경향을 보였다. 또한 화재의 위치에서 천장과 벽에 가까울수록 온도분포가 낮아지는 것으로 나타났다. 복사열전달은 상온(20。(2)으로 유지되는 벽과의 열전달에 의해 화재와 벽 사이의 온도를 떨어뜨렸다.
각 높이에서 온도분포와 최고온도의 위치가 출구 방향으로 치우쳐진 것을 확인할 수 있으며 바닥면에서 천장으로 올라갈수록 최고온도가나타나는 위치의 출입문이 위치된 방향으로 편향되는경향을 나타내었다. 복사열전달 고려유무에 따라 비교높이에서 평균 14~16%의 온도 차이를 보이며 천장에가까워질수록 복사열전달의 고려유무에 따라 온도 차이가 커짐을 확인할 수 있었다. 따라서 화재에서 멀어지고 벽에 가까울수록 복사열전달의 영향이 큰 것을판단할 수 있다.
복사열전달은 상온(20。(2)으로 유지되는 벽과의 열전달에 의해 화재와 벽 사이의 온도를 떨어뜨렸다. 복사열전달을 고려한 경우 복사열전달을 고려하지않은 경우에 비해 화재지점을 제외하고 전체적으로 낮은 온도분포를 보이며 특히 측면 벽과 천장 근처로 갈수록 복사열전달의 유무에 따른 온도차는 더 큰 것으로 나타났다.
Figure 3은 A-Section(x=5 m)에서 복사열전달 유무에 따른 온도분포 결과를 나타내었다. 화재에서 발생한 열에 의한 온도분포는 화재지점을 제외한 공간에서 대류의 영향으로 아트리움의 바닥에서 천장으로 올라갈수록 상승하는 경향을 보였다. 또한 화재의 위치에서 천장과 벽에 가까울수록 온도분포가 낮아지는 것으로 나타났다.

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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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