[논문]산불 지표화의 1차원 화염전파 모델의 수치해석 연구 - 평지조건 기반에서 -

김동현; 전중효의; 통본규우; 이명보; 김광일

[국내논문] 산불 지표화의 1차원 화염전파 모델의 수치해석 연구 - 평지조건 기반에서 -
A Numerical Study of 1-D Surface Flame Spread Model - Based on a Flatland Conditions - 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.22 no.2, 2008년, pp.63 - 69

김동현 (국립산림과학원 산불연구과) , 전중효의 , 통본규우 , 이명보 , 김광일 (인제대학교 보건안전공학과)

초록
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산불의 확산특성은 일반적으로 가연물의 특성, 지형, 바람조건과 같은 기상 상태등과 관련이 있다. 산불의 발달과정에 있어 수치해석을 통한 확산예측 모델은 열전달 과정에 기본을 둔 열에너지 전달에 대한 해석이 가장 일반적인 방법론이다. 산불의 발생시 열에너지의 전파속도를 해석하는 것은 화염의 생성과 열전달, 그리고 소멸에 이르는 전 과정에 대한 물리적, 화학적 해석을 통해 화염의 이동에 따른 전파속도로 추정할 수 있다. 본 논문에서는 고체연소물질의 표면화염전파에 대한 수치해석을 통해 1차원 지표화 확산모델식을 제시하였다. 1차원 확산모델식은 평지상태에서 풍속조건에 따른 화염의 전파속도 산정식으로써 지표연료의 화염유지시간, 화염의 높이, 화염의 온도, 지표연료의 착화온도 등에 대한 실험 및 이론식을 적용하였다. 실험값 및 다른 모델식과의 ROS 비교 결과, 풍속 3 m/s 이하의 조건에서는 지수함수식의 증가곡선을 나타내는 경향을 보였다. 침엽수종인 소나무 낙엽에 대한 수치해석값과 실험값을 비교한 결과, 풍속 1-2m/s 조건에서는 확산속도가 약 10% 상향예측이 되었고 풍속 3m/s 조건에서는 약 20% 하향예측 되었다. 따라서 앞으로 지표화 확산 예측을 위해 본 연구결과에서 얻어진 화염확산 알고리즘을 이용한 초기 산불확산 예측 적용이 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of the spread of a forest fire are generally related to the attributes of combustibles, geographical features, and meteorological conditions, such as wind conditions. The most common methodology used to create a prediction model for the spread of forest fires, based on the numerical analysis of the development stages of a forest fire, is an analysis of heat energy transmission by the stage of heat transmission. When a forest fire breaks out, the analysis of the transmission velocity of heat energy is quantifiable by the spread velocity of flame movement through a physical and chemical analysis at every stage of the fire development from flame production and heat transmission to its termination. In this study, the formula used for the 1-D surface forest fire behavior prediction model, derived from a numerical analysis of the surface flame spread rate of solid combustibles, is introduced. The formula for the 1-D surface forest fire behavior prediction model is the estimated equation of the flame spread velocity, depending on the condition of wind velocity on the ground. Experimental and theoretical equations on flame duration, flame height, flame temperature, ignition temperature of surface fuels, etc., has been applied to the device of this formula. As a result of a comparison between the ROS(rate of spread) from this formula and ROSs from various equations of other models or experimental values, a trend suggesting an increasing curved line of the exponent function under 3m/s or less wind velocity condition was identified. As a result of a comparison between experimental values and numerically analyzed values for fallen pine tree leaves, the flame spread velocity reveals a prediction of an approximately 10% upward tendency under wind velocity conditions of 1 to 2m/s, and of an approximately 20% downward tendency under those of 3m/s.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

또한 화염으로부터 일정거리 이상의 열선속은 열전달에 큰 영향을 미치지 않음을 가정하여 바람 순방향에서는 무풍상태의 초기 화염길이에 해당되는 목표지점까지 제어체적의 길이를 반영하였고 전진화염의 반대 방향의 경우에는 식 (11)의 형상계수 값을 적용하였다. 28) 여기서 화염 의 각 목표지점으로 전파되는 파장에 대해 총 열선속은 식 (12)와 같이 표현될 수 있다.

제안 방법

1) 산불 지표화 1차원 화염전파 수치해석을 기반으로 한 알고리즘 및 프로그램을 개발하였다.
가장 일반적으로 산불확산예측을 위해 운영되고 있는 모델들은 실험 . 관찰에 의해 확산속도 둥을 상관관계를 추론함으로써 확산예측 결과를 산정한다.
산불의 초기 확산속도의 예측은 산불의 초동진화에 있어 매우 중요한 도움을 줄 수 있다. 기존 지표화 등의 산불확산속도 예측은 실험에 기반을 둔 모델을 활용하였다.
실제 산불상황에서는 미연소지 화염전파 특성은 연료물질의 종류, 배열상태, 가연물의 양, 기상 조건 등에 따라 임의적이고 시간에 따라 변화된다. 따라서 화염의 열유속에 대한 목표지점의 열전달에 의한 온도변화 값 산정을 위해 형상계수와 방시율을 적용하여 한다.
관계식에 대한 수치해석과 실험에 의한 각 변수값 즉정 등을 통해 Figure 4의 시뮬레이션 알고리즘을 개발하였다. 또한 개발된 알고리즘의 수칙해석을 위해 컴퓨터 프로그래밍을 통해 1차원 화염확산 예측프로그램을 개발하였다.
기존의 다른 모델식 및 실험값과의 확산속도(ROS, Rate of Spread) 비교 결과는 Figure 6에 나타난 바와 같다. 본 연구에서는 실내 실험실시 풍속 3m/s 이상의 조건에서 낙엽층 연료의 움직임으로 화염의 열전달에 의한 확산보다는 Rolling fire에 의한 확산형태로 이어져 순수 열전달에 의한 화염전파해석을 위해 Figure 6 과 같이 풍속 3m/s 이하의 조건에서 비교검토가 이루어졌다.
Figure 5에서 x축은 시간변화이고 y축은 수평면 격자의 길이이다. 시간에 따라 각 수평면 길이가 가지는 온도변화에 대해 선형으로 화염의 온도확산 결과를 표현하였다. 파란실선은 연료 초기설정온도 21℃이며 적색에 가까워질수록 화염의 최고온도인 800℃ 값을 나타낸다.
이에 본 연구에서는 먼저, 지표연소물질인 낙엽의 연소실험 결과를 토대로 화염의 열전달 수치해석을 통해 1차원 산불 지표화 확산예측 알고리즘을 개발하였다.
프로그램 개발에서는 비주얼베이직 언어를 이용하였고 각 격자에 대한 시간변화에 따른 화염의 복사 열전달에 의한 화염전파에 대한 수치해석을 하도록 적용하였다.
형상계수(View Factor)는 일반적으로 평면층, 선대칭원통 및 원추 등과 같은 간단한 기하학적 형상으로 표현할 수 있는데 본 연구에서는 화염으로부터 목표지점에 대한 열선속 계산을 Figure 3과 식 (9)~(11)과 같이 화염 지점 &에서 A】, A2, A3 지점의 형상계수 적용을 통해 열선속을 산출하였다.

이론/모형

Adkins는 각각 바람에 대한 화염의 기울기 경사각을 통해 화염높이 산정식을 식 (5), 식 (6)과 같이 제시하였다. 그리고 본 연구에서는 서로 다른 Albini, (2) Nelson , Adkins의 화염높이 계산식들과 실험값을 함께 비교, 평가하기 위해 Putname)이 제시한 식 (7)을 적용하였다.
가연물질의 수평면 화재에 대한 화염높이 산정은 McCaffrey, 29) Heskestad에 의해 식 (4)와 같이 제시 되었다. 따라서 본 연구에서도 무풍시 산림 지표면의 주요 가연물질인 낙엽층의 연소시 화염높이 산정을 식(4)를 적용하였다.
(14)와 같이 적용할 수 있다. 특히, 유효연소열 및 질량손실율은 ISO 5660(Mass Loss Calorimeter) 시험장치를 이용하여 각각 소나무 낙엽에 대해 실험값을 적용하였다.

성능/효과

2) 지표화에 대한 실험값 및 다른 모델식과의 확산예측 ROS 비교결과, 풍속 3m/s 이하 조건에서의 지표화 확산속도에서는 지수함수식의 증가곡선의 경향을 나타내었다.
3) 소나무 침엽수 지표낙엽연료에 대하여 실험값과의 비교한 결과, 풍속 1-2m/s 조건에서는 확산속도가 약 10% 상향예측이 되었고 풍속 3m/s 조건에서는 약 20% 하향예측 되었다.
본 연구의 화염전파 수치해석모델과 Nelson and Adkins, Anderson and Rothermel 실험식의 ROS 값의 비교결과, 전체적으로 Figure 6에서 보이는 바와 같이 풍속에 의한 확산속도 증가경향이 유사하게 나타났으며 실험결과 값과 화염전파 수치해석모델의 예측결과 값의 비교결과, 풍속 l~2m/s에서 약 10% 상향예측 결과치가 나타났고, 풍속 3m/s에서는 약 20%의 하향 예측 결과치가 나타났다. 실험값과 예측 결과값의 차이는 낙엽의 밀도, 수분함유량, 연기층으로 인한 복사 열전달 장애, 풍속의 균일성, 낙엽층 연료 배열의 균일성 등에 따라 발생될 수 있다.

후속연구

둘째는 일반적인 화재확산과 같이 물리화학적 변화들에대 한 고려 와 함께 지 형(사면 향, 경 사도)-기 상(풍속, 풍향), 기상(상대습도)-연료(연료습도) 등의 상호영향에 대한 실험적, 이론적 고려가 반영되어야 한다. 셋째는 산불확산에 상관되는 변수들의 실험값과 지배방정식의 해석을 통한 산불확산예측 알고리즘을 개발하여야 한다. 마지막으로 수식의 연산처리를 통해 결과값을 GIS 상에 표출하여 활용할 수 있는 프로그램개발이 요구되어지고 있다.

참고문헌 (31)

김동현, 김태구, 김광일, "산림화재 종합위험등급화에 관한 연구", 한국화재소방학회논문지, Vol.15, No.3 pp.49-54(2001)
김동현, 이명보, 강영호, 이시영, "지표물질 착화성 실 험을 통한 발화위험성 분석", 2006 한국방재학회 학 술발표대회 논문집, pp.379-384(2006)
D.H. Kim, "Forest Fire Risk Assessment through Analyzing Ignition Characteristics of Forest Fuel Bed", V International Conference on Forest Fire Research, pp.30-31(2006)
박형주, 김응식, 김장환, 김동현, "복사열을 이용한 소 나무와 굴참나무 낙엽의 연소특성 분석", 한국화재소방학회논문지, Vol.21. No.3, pp.33-41(2007)

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이명보, 김동현 외, 소방방재청 자연재해기술개발사 업 "산불피해저감을 위한 진화기술 개발", 연구보고 서, p.132(2007)
김장환, 김응식, 김동현, 이명보, "소나무 및 굴참나 무 낙엽의 연소특성 분석", 산림과학논문집, Vol.69, pp.98-103(2006)

상세보기
이병두, 정주상, 이명보, 김동현, "산불확산예측모델 의 개발", 한국화재소방학회 2006년도 춘계학술논문 발표회 논문집, pp.231-235(2006)
박병현, 박덕신, 조영민, 박은영, 이철규, "콘칼로리미 터를 이용한 바이오매스의 연소특성에 관한 연구(I) -단풍잎, 은행잎, 덤불, 솔잎에 대해서-", 한국대기환경학회지, Vol.21, No.4, pp.459-469(2005)

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K. Himoto and T. Tanaka, "A Burning Model for Charring Materials and Its Application to the Compartment Fire Development", Fire Science and Technorogy, Vol.23, No.3, pp.170-190(2004)

상세보기
F.A. Albini, "A Physical Model for Fire Spread in Brush. In "11th Symp.(Int.) on Combust", The Combustion Institute, Pittsburgh, pp.553-560(1967)
F.A. Albini, "Estimating Wildfire Behavior and Effects", Technical Report USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. INT-30, USDA Forest Service(1976)
F.A. Albini, "A Model for the Wind-Blown Flame from a Line Fire", Combust. Flame 43, p.155(1981)

상세보기
F.A. Williams, "Mechanisms of Fire Spread(Invited Review)", in 16th Symposium(Int.) on Combustion, Combustion Institute, Pittsburgh, PA, pp.1281-1294 (1976)
H.E. Anderson, "Sundance Fire: An Analysis of Fire Phenomena", Res. Pap. INT-56, USDA Forest Service, Ogden(1968)
H.E. Anderson, "Heat Transfer and Fire Spread", Res. Pap. INT-69, USDA Forest Service, Ogden (1969)
R.C. Rothermel, "A Mathematical Model for Predicting Fire Spread in Wildland Fuel", Res. Pap. INT-115, USDA Forest Service, Ogden(1972)
K.G. Hirsch, "Canadian Forest Fire Behavior Prediction (FBP) System: User's Guide", Technical Report Special Report 7, Canadian Forest Service, Northwest Region, Northern Forestry Centre p.122 (1996)
M. Nelson and C.W. Adkins, "Flame Characteristics of Wind-Driven Surface Fires", Canadian J. Forest Res., Vol.16, p.1293(1986)

상세보기
G.M. Byram, "Combustion of Forest Fuels, Forest Fire: Control and Use", edited by K.P. Davis (McGraw-Hill, New York), p.61(1959)
P.H. Thomas, "The Size of Flames from Natural Fires", in Proceedings of the 9th Symposium (International) on Combustion (The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, pp.844-859(1963)
A. Putnam, "A Model Study of Wind-Blown Free- Burning Fires", in Proceedings of the 10th Symposium (International) on Combustion (The Combustion Institute, Pittsburgh, PA), pp.1039-1046(1965)
B. Fang, "An Investigation of the Effect of Controlled Wind on the Rate of Fire Spread", Ph.D. Dissertation, University of New-Brunswick(1969)
I.R. Nobel, G.A.V. Bary and A.M. Gill, "McArthur's Fire-Danger Meters Expressed as Equations. Australian J. of Ecology", Vol.5, pp.201-203(1980)

상세보기
T. Beer, "The Interaction of Wind and Fire", Boundary-Layer Meteorology, Vol.54, pp.287-308 (1991)

상세보기
F. Tamanini, "Comb. and Flame", Vol.60, p.219 (1985)

상세보기
M. William, J. Charney, M.A. Jenkins, P. Cheney and J. Gould, "Numerical Simulations of Grassland Fire Behavior from the LANL-FIRETEC and NISTWFDS Models", EastFIRE Conference(2005)
N.P. Cheney and J.S. Gould, "Fire Growth in Grassland Fuels", International Journal of Wildland Fire, Vol.5, No.4, pp.237-247(1995)

상세보기
N.P. Cheney, J.S. Gould and W.R. Catchpole, "Prediction of Fire Spread in Grasslands", International Journal of Wildland Fire", Vol.8, No.1, pp.1- 13(1998)

상세보기
B. McCaffrey, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd ed., Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection Association, Quincy, MA(1995)
G. Heskestad, Fire Safety Science-Proceedings of the Fifth International Symposium, International Association for Fire Safety Science(1998)
NFPA & SFPE, "The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering", 3rd edition, pp.247-251 (2002)

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