[논문]수직벽화재의 수치 시뮬레이션 II. 프로판 화재

박외철; 아노드 트루베

수직벽화재의 수치 시뮬레이션 II. 프로판 화재
Numerical Simulation of Vertical Wall fires II. Propane Fire 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.22 no.3, 2008년, pp.188 - 193

초록
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높이 1m의 수직벽면에서 3g/m^2-s$로 연소하는 프로판 수직벽 화재에 대한 수치모사를 수행하였다. 본 연구의 목적은 자연대류에서의 검증결과를 확인하고, 수직벽 화재의 수치모사의 결과를 이전의 연구와 비교하는 것이다 C_s=0.2$일 때 유동이 층류 경계층으로 나타났지만, C_s=0.1$일 때는 난류 경계층임을 확인하였다. z 방향 속도로부터 자연대류에서와 마찬가지로 난류혼합이 부족한 것으로 나타났고, 온도와 속도의 분포가 실험 및 이전의 시뮬레이션과 비교적 잘 일치하였다. 특히 x 방향 속도가 실험과 매우 잘 일치함으로써 경계층으로 공기유입이 잘 예측됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical simulation was carried out for a propane fire of mass transfer rate 3g/m^2-s$ on a 1m high vertical wall. The objectives of this study are to confirm the outcomes of evaluation of the simulator through simulation of natural convection, and to compare the results of the wall fire with those of previous studies. It was confirmed that the simulated boundary layer was laminar at C_s=0.2$ while it was turbulent at C_s=0.1$. The z direction velocity showed lack of turbulent mixing as seen in the natural convection case, and the profiles of temperature and velocities were in relatively good agreement with those of experiment and previous simulation. It was found that the air entrainment into the boundary layer was well predicted.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 난류 자연대류에서의 검증 결과를 수직 벽 화재의 수치 시뮬레이션으로 확인하고, 이전의 실험1)및 시뮬레이션2)과 비교하는 것이다. 이를 위해 실험과 동일한 조건하에서 계산한 속도분포 및 온도분포를 비교하였다.

제안 방법

3를 사용하였다. I에서는 등온 수직벽 난류 자연대류의 시뮬레이션을 통해 FDS를 검증하였다. Tsuji와 Nagano5^ 자연대류에 관한 실험과 비교한 결과, 스마고린스키 상수(Smagorinsky constant) Cs의 기본값인 0.
난류 자연대류에 대한 전산유체역학 시뮬레이터의 검증결과를 확인하고 이전의 수직벽 화재 시뮬레이션과 비교하기 위해 수직벽 프로판 가스 화재에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 자연대류와 마찬가지로 스마고린스키 상수(Smagorinsky constant) 가 0.
본 연구의 지배방정식은 연속방정식과 운동량방정식, 에너지방정식, 이상기체의 상태방정식으로 I에 주어져 있다. 수직벽면과 바닥면에서는 비활조건(no slip condition)에 따라 속도가 0이며, 수직벽은 단열, 바닥 면과 주위온도는 20℃로 하였다.
및 시뮬레이션2)과 비교하는 것이다. 이를 위해 실험과 동일한 조건하에서 계산한 속도분포 및 온도분포를 비교하였다.

대상 데이터

I의 자연대류에서는 격자크기 Ax = 5 mm, Ay = Az =lOmni를 선정하였으나, 본 연구에서는 I보다 계산영역의 크기 가 작으므로 Ax = Ay = Az = 5 mm를 사용하였다. 이에 해당하는 격자수는 60x60x200이다, 계산 시간은 I에서와 같이 50초로 하고, 실험과 같이 z = 0.
가연성 물질의 화학반응 관련 FDS의 입력 데이터에는 프로판 가스의 물질전달률 3 g/m2-s 외에 연소열 46, 000 kJ/kg, 프로판 가스 단위질량당 연기발생율(soot yield) 0.024 g/g, 복사열손실율 0.272 등6)을 사용하였다. FDS에 관한 자세한 내용은 McGrattan 등%에 기술되어 있다.
비교대상 실험”의 프로판 가스 버너는 높이 1m의 수직벽으로부터 단위면적당 질량유량 3g/m2-s의 프로판(CsFk) 가스가 방출되어 연소하는 구조이다. 본 연구에서도 실험과 동일하게 높이를 1 이로 하였다.

데이터처리

격자크기 Ax = Ay = Az = 5nun와 Cs = 0.1 외에 나머지 매개변수는 기본값을 그대로 사용하여 계산한 결과를 실험D과 Wang 등기의 시뮬레이션과 비교하였다. Figure 4는 각각 z = 0.

이론/모형

본 연구는 Annarumma 등1)의 실험과 Wang 등?)의 시뮬레이션 중 프로판 가스 수직벽 화재에 대한 수치모사로, LES를 기본으로 한 Fire Dynamics Simulator (FDS)4)V5.0.3를 사용하였다. I에서는 등온 수직벽 난류 자연대류의 시뮬레이션을 통해 FDS를 검증하였다.

성능/효과

I에서는 등온 수직벽 난류 자연대류의 시뮬레이션을 통해 FDS를 검증하였다. Tsuji와 Nagano5^ 자연대류에 관한 실험과 비교한 결과, 스마고린스키 상수(Smagorinsky constant) Cs의 기본값인 0.2에서는 난류 경계층의 시뮬레이션이 불가능하였고, Cs= 0.1일 때 속도와 온도분포가 실험과 잘 일치하였다. 수직벽 위의 자연대류에서는 벽과 주위 공기 사이의 온도차이에 따른 부력으로 유동이 발생하고층류-천이-난류 경계층이 형성된다.
2에서는 모두 층류임을 알 수 있다. 그러므로 15)의 자연대류에서와 같이 FDS의 기본값을 그대로 사용할 경우, 즉, Cs=0.2일 때 수직벽 화재의 시뮬레이션이 불가능하며, Cs=0.1 이 수직벽 화재의 수치 모사에도 적합함을 확인할 수 있다.
즉, Wang 등의 연구에서는 벽면에서의 속도가 0이 아니므로 속도의 경계조건인 비활 조건을 만족하지 못하기 때문이다. 이에 비해 본 연구에서는 세 위치 z = 0.23 m, 0.47 m, 0.72 이에서 모두 벽면에서 비활조건을 만족함을 알 수 있다. 또한, 본 연구에서는 x = 200mm 부근에서 속도가 0으로 접근해 실험과 일치하지만, Wang 등의 시뮬레이션에서는 속도가 0에 접근하지 않거나 오히려 약간 증가하였다.
수행하였다. 자연대류와 마찬가지로 스마고린스키 상수(Smagorinsky constant) 가 0.2일 때 난류수직벽 화재의 시뮬레이션이 불가능함을 확인하였고, 0.1 이 적정함을 확인하였다. 프로판 가스 수직벽 화재의 시뮬레이션 결과, 온도와 속도의 분포가 실험과 비교적 잘 일치하였다.
프로판 가스 수직벽 화재의 시뮬레이션 결과, 온도와 속도의 분포가 실험과 비교적 잘 일치하였다. 특히 이전의 시뮬레이션에서 오차가 컸던 경계층 밖으로부터의 공기유입 (air entrainment)을 잘 예측함을 알 수 있었다. 자연대류에서와 같이 난류혼합이 부족한 것으로 나타나 시뮬레이터의 개선이 필요함을 확인하였다.
1 이 적정함을 확인하였다. 프로판 가스 수직벽 화재의 시뮬레이션 결과, 온도와 속도의 분포가 실험과 비교적 잘 일치하였다. 특히 이전의 시뮬레이션에서 오차가 컸던 경계층 밖으로부터의 공기유입 (air entrainment)을 잘 예측함을 알 수 있었다.

후속연구

특히 이전의 시뮬레이션에서 오차가 컸던 경계층 밖으로부터의 공기유입 (air entrainment)을 잘 예측함을 알 수 있었다. 자연대류에서와 같이 난류혼합이 부족한 것으로 나타나 시뮬레이터의 개선이 필요함을 확인하였다.

참고문헌 (6)

M.O. Annarumma, J.M. Most and P. Joulain, 'On the Numerical Modeling of Buoyancy-dominated Turbulent Vertical Diffusion Flames', Combust. Flame, Vol.85, pp.403-415(1991)

상세보기
H.Y. Wang, P. Joulain and J.M. Most, 'On the Numerical Modeling of Buoyancy-dominated Turbulent Diffusion Flames by Using Large-eddy Simulation and k-e Turbulence Model', Combust. Sci. and Tech., Vol.176, pp.1007-1034(2004)

상세보기
J. Smagorinsky, 'General Circulation Expwriments with the Primitive Equations I. The Basic Experiment', Monthly Weather Review, Vol.91, p.99 (1963)

상세보기
K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd, H. Baum and R. Rehm, Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide, NIST, Gaithersburg, Maryland, U.S.A.(2007)
T. Tsuji and Y. Nagano, 'Characteristics of a Turbulent Natural Convection Boundary Layer along a Vertical Flat Plate', Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.31, No.8, pp.1723-1734(1988).

상세보기
SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd ed., p.311(2002)

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