[논문]환기부족 구획화재에 대한 FDS 해석 및 검증

고권현; 김성찬; 유홍선

환기부족 구획화재에 대한 FDS 해석 및 검증
FDS Simulation and Validation on the Under-Ventilated Compartment Fires 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.23 no.5, 2009년, pp.103 - 109

고권현 (중앙대학교 기계공학부) , 김성찬 (일대학교 소방방재학부) , , 유홍선 (중앙대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 환기부족 조건의 구획화재에 대하여 FDS(Ver. 5.2)를 이용하여 수치해석을 수행하였고 열적 특성 및 연소 가스 생성 특성에 대한 예측성능을 평가하였다. ISO-9705 표준화재실의 2/5 크기 모형에 대한 메탄 및 헵탄, 톨루엔 화재를 모사하였으며 고온 상층부의 온도, 연소가스 농도 등에 대하여 기존의 실험 결과와 비교하였다. 실험결과와의 비교를 통해 FDS가 천정의 온도와 과환기 조건의 혼합분율의 예측에 있어서 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 그러나 화재 크기에 비해 산소의 유입량이 충분치 않은 환기부족 조건에서는 일산화탄소 및 그을름의 발생량을 실험값에 비해 크게 하향 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, fire simulations on the under-ventilated compartment fires have been conducted using the Fire Dynamics Simulator (FDS Ver. 5.2) and its prediction performance on the thermal and combustion chemical characteristics has been discussed. The temperature and chemical species concentrations in the upper layer of methane, heptane, and toluene fires located in a 2/5 scale compartment based on the ISO-9705 standard room are predicted and compared with the previously published experimental data. The results showed that the FDS simulations reproduced well the temperature of the ceiling and the mixture fraction in the upper layer under the well-ventilation conditions. For the under-ventilated fires, which were taken place due to the insufficient oxygen entrainment, the prediction by the FDS significantly under-estimated the production of carbon monoxide and soot compared to the experimental data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

FDS를 이용한 해석 결과는 발열량, 천정부의 온도 등과 같은 열적 특성의 예측에 있어서 실험과 좋은 일치를 보였다. 또한 과환기 및 환기부족 조건의 화재실내부 유동 및 단위 면적당 발열 분포, 화염면 위치 등과 같은 자세한 결과를 제시해 주었다. 환기부족 조건의 화재실 내부 유동을 살펴보면 출입구에서 유입되는 유동이 화염 플럼과 상호작용하며 상승하고 상층부 뒤쪽에서 재순환되어 플럼을 출입구 쪽으로 밀어내고 있음을 알 수 있었고 화염면의 위치가 화재실 밖까지 확장되는 것을 보여주었다.
해석은 ISO-9705 공간의 2/5 크기 축소모형에 위치한 메탄(CH₄), 헵탄(C₇H₁₆), 톨루엔(C₇H₈) 화재에 대해 수행되었으며 그 결과를 화재실 상층부의 온도, 가스 농도 등에 대하여 실험 결과⁶⁾와 비교하였다. 해석 결과를 통해 환기 조건에 따른 구획 화재 특성을 분석하고 열적 특성 및 연소 가스 농도의 예측에 대한 FDS 모델의 적용범위와 한계를 고찰하고자 한다.

가설 설정

또한 x는 탄화수소 연료의 탄소 원자수를 나타낸다. FDS의 혼합 분율 연소 모델에서는 혼합 분율에 대한 보존 방정식을 풀어 stoichimetric 값을 갖는 화염면에서 연소 반응이 발생하는 것으로 가정한다. 본 연구에서 사용된 메탄, 헵탄, 톨루엔의 경우 stoichimetric 혼합분율 값은 각각 0.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 환기부족 조건의 구획화재에 대하여 FDS Ver. 5.²⁷⁾를 이용하여 해석을 수행하고 열적 특성 및 연소 가스 생성 특성에 대한 예측성능을 평가한다. 해석은 ISO-9705 공간의 2/5 크기 축소모형에 위치한 메탄(CH₄), 헵탄(C₇H₁₆), 톨루엔(C₇H₈) 화재에 대해 수행되었으며 그 결과를 화재실 상층부의 온도, 가스 농도 등에 대하여 실험 결과⁶⁾와 비교하였다.
발열량의 측정에는 NIST의 화재 실험동에 설치되어 있는 3m × 3m 정사각 후드를 가진 산소소모 열량계를 이용하였다. 또한 Figure 2에 나타낸 바와 같이 고온 상층부의 두 지점(RP, FP)에서 연소 가스 및 그을름의 농도를 측정하였으며 출구 근처 천정부의 한 지점(CP)에서 온도를 측정하였다. 단, 측정 방식의 특성으로 인해 그을름의 경우에는 Table 1에 나타낸 준정상 상태의 값만을 얻을 수 있었다.
연료는 25 × 25cm²의 정사각형 버너를 통해 공급된다. 버너에 공급되는 연료의 질량유량을 조절함으로써 화원의 크기를 조절할 수 있으며 미리 선정된 화원 크기에 이르러 일정 시간동안 준 정상 상태를 유지한 후 다음의 화원 크기로 변화시켰다. Table 1에 화재 조건을 정리하였다.
¹¹⁾ 메탄 연료의 경우 그을름이 거의 생성되지 않는 것으로 알려져 있으나 실험⁶⁾에서는 미량의 그을름과 일산화탄소가 측정되었다. 본 연구에서는 SFPE 핸드북에서 제공하는 자료 중 최소값인 0.001을 사용하여 메탄화재의 해석을 수행하였다. 수치해석에 적용된 계산격자의 크기는 한 변의 길이가 2cm인 정방형이며 400kW 메탄 화재의 경우 격자크기에 대한 무차원 특성길이의 비(D*/dx)는 약 18 정도이다.
본 연구에서는 산소소모 열량계로부터 측정된 발열량의 시간변화를 해석 조건으로 사용하였다. Figure 4는 메탄, 헵탄, 톨루엔 화재에 대해서 측정된 발열량⁶⁾과 이를 화재크기 조건으로 사용하여 해석한 발열량 결과를 함께 보여주고 있으며 실험값과 해석값이 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서는 환기부족 조건의 구획화재에 대하여 대표적인 필드 모델인 FDS(Ver. 5.2)를 이용하여 해석을 수행하고 열적 특성 및 연소 가스 생성 특성에 대한 예측성능을 평가하였다. ISO-9705 표준화재실의 2/5 크기 모형에 대한 다양한 크기의 메탄 및 헵탄, 톨루엔 화재를 모사하였으며 고온 상층부의 온도, 연소가스 농도 등에 대한 해석 결과를 기존의 실험 결과⁶⁾와 비교하였다.
실험결과와의 비교분석을 위하여 실험과 동일한 조건에 대하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다. Table 2는 수치해석에서 사용된 연료의 그을름과 일산화탄소의 생성율 및 연소열을 나타내고 있다.
연소 효율은 화재 해석의 정확성을 결정짓는 매우 중요한 인자 중 하나이지만 본 연구에서는 측정된 발열량을 화재 조건으로 사용하였기 때문에 연소 효율의 영향은 고려할 필요가 없었다. 한편 앞서 언급한 바와 같이 실험⁶⁾에서는 버너에 공급되는 연료의 유량을 조절함으로써 화재의 크기를 제어하였는데 Table 1에 나타낸 준정상 상태의 발열량을 일정시간 동안 유지하면서 고온 상층부의 온도 및 가스 농도를 측정하였다.

대상 데이터

Figure 1에서 보는 바와 같이, 실험 대상 화재공간은 0.98m × 0.98 × 1.46m로써 ISO-9705 화재실을 40% 크기로 축소한 모형이다.
발열량의 측정에는 NIST의 화재 실험동에 설치되어 있는 3m × 3m 정사각 후드를 가진 산소소모 열량계를 이용하였다.
81m이다. 연료로는 가스 연료인 메탄(CH₄), 액체 연료인 헵탄(C₇H₁₆)과 톨루엔(C₇H₈)이 사용되었다. 연료는 25 × 25cm²의 정사각형 버너를 통해 공급된다.

데이터처리

2)를 이용하여 해석을 수행하고 열적 특성 및 연소 가스 생성 특성에 대한 예측성능을 평가하였다. ISO-9705 표준화재실의 2/5 크기 모형에 대한 다양한 크기의 메탄 및 헵탄, 톨루엔 화재를 모사하였으며 고온 상층부의 온도, 연소가스 농도 등에 대한 해석 결과를 기존의 실험 결과⁶⁾와 비교하였다.
²⁷⁾를 이용하여 해석을 수행하고 열적 특성 및 연소 가스 생성 특성에 대한 예측성능을 평가한다. 해석은 ISO-9705 공간의 2/5 크기 축소모형에 위치한 메탄(CH₄), 헵탄(C₇H₁₆), 톨루엔(C₇H₈) 화재에 대해 수행되었으며 그 결과를 화재실 상층부의 온도, 가스 농도 등에 대하여 실험 결과⁶⁾와 비교하였다. 해석 결과를 통해 환기 조건에 따른 구획 화재 특성을 분석하고 열적 특성 및 연소 가스 농도의 예측에 대한 FDS 모델의 적용범위와 한계를 고찰하고자 한다.

이론/모형

연소 과정과 복사 열전달은 각각 혼합분율 모델과 유한체적법에 따라 계산된다. 난류 모델의 경우 DNS(direct numerical simulation)와 LES를 제공하고 있는데 본 연구에서는 LES를 Smagorinsky의 에디 점성 모델과 함께 사용하였다. 지배방정식을 비롯한 자세한 사항은 참고문헌⁷⁾에서 찾을 수 있다.

성능/효과

FDS를 이용한 해석 결과는 발열량, 천정부의 온도 등과 같은 열적 특성의 예측에 있어서 실험과 좋은 일치를 보였다. 또한 과환기 및 환기부족 조건의 화재실내부 유동 및 단위 면적당 발열 분포, 화염면 위치 등과 같은 자세한 결과를 제시해 주었다.
화재실 상층부의 혼합분율 및 CO와 그을름의 질량 분율 등의 화학종 농도의 예측에 있어서 FDS는 과환기 조건에서는 실험과 좋은 일치를 보였으나 환기부족 조건에서는 상당한 오차를 보였다. 특히 실험과의 차이는 환기부족 조건이 심화될수록 더 커졌다.
또한 과환기 및 환기부족 조건의 화재실내부 유동 및 단위 면적당 발열 분포, 화염면 위치 등과 같은 자세한 결과를 제시해 주었다. 환기부족 조건의 화재실 내부 유동을 살펴보면 출입구에서 유입되는 유동이 화염 플럼과 상호작용하며 상승하고 상층부 뒤쪽에서 재순환되어 플럼을 출입구 쪽으로 밀어내고 있음을 알 수 있었고 화염면의 위치가 화재실 밖까지 확장되는 것을 보여주었다.

후속연구

일반적으로 생성율은 과환기 조건에서 측정되는데 환기부족 조건에서는 그 생성율이 크게 증가할 수 있기 때문이다. 따라서 CO나 그을름의 발생을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 환기 조건에 따른 생성율의 변화를 고려할 수 있는 새로운 방법이 제시되어야 할 것으로 생각된다.
그러나 일반적으로 이러한 생성율은 과환기 조건에서 측정되기 때문에¹¹⁾ 환기부족 조건에서는 실제보다 크게 하향 예측될 수 있다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 화재실의 환기 및 화재 조건에 따라 생성율의 변화를 고려할 수 있는 데이터베이스나 새로운 관계식이 개발되어야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혼합분율 개념에 근거한 연소모델을 적용하기 위한 조건은?	8,9) 그럼에도 불구하고 FDS에 적용된 다양한 모델들은 다양한 가정과 제한조건 하에서 개발되었기 때문에 실제 조건에서의 적용과 해석은 매우 신중하게 이루어져야 한다. 예를 들어 FDS를 비롯한 대부분의 필드 모델에서 사용하고 있는 혼합분율 개념(mixture fraction concept)에 근거한 연소 모델은 기본적으로 산소의 공급이 충분한 과환기(over-ventilated) 조건에서 유효한 모델이다. 따라서 실내 구획(compartment)이나 터널(tunnel) 등과 같이 제한된 형상을 갖는 공간 내의 화재를 해석할 때에는 연소 모델 및 연소가스농도 예측 기법에 대한 적절한 검토와 검증이 선행되어야 한다.
	환기부족 화재란?	환기부족 화재(under-ventilated fires)란 실내 공간에서 화재가 발생한 후 일정 시간이 경과하여 공간 내의가연연료에 비해 산소가 부족한 상태에 이르러 유지되는 화재를 말한다. 화재실 내부가 플래쉬오버(flashover) 상태로 발전되어 열적 피드백(thermal feedback)으로 인한 연료 증기(fuel vapor)의 생성이 공기의 공급에 비해 과다하게 되면 공간 내부는 환기부족 상태가 되고 불완전 연소가 진행된다.
	환기부족 화재의 과정과 그 영향은?	환기부족 화재(under-ventilated fires)란 실내 공간에서 화재가 발생한 후 일정 시간이 경과하여 공간 내의가연연료에 비해 산소가 부족한 상태에 이르러 유지되는 화재를 말한다. 화재실 내부가 플래쉬오버(flashover) 상태로 발전되어 열적 피드백(thermal feedback)으로 인한 연료 증기(fuel vapor)의 생성이 공기의 공급에 비해 과다하게 되면 공간 내부는 환기부족 상태가 되고 불완전 연소가 진행된다. 이로 인해 인체에 치명적인 일산화탄소(CO)를 포함하여 불연탄화수소(unburned hydrocarbon), 이산화탄소(CO2), 그을음(soot) 등이 대량으로 발생하여 심각한 인명피해를 야기할 수 있다.1,2) 따라서 환기부족 상태에서의 실내 화재에서 발생되는 연소 가스의 성분특성을 파악하는 것은 화재에 의한 인명 피해 방지 대책을 수립하는데 있어서 매우 중요하다.

참고문헌 (12)

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전홍균, 최영상, 추홍록, '다세대주택의 화재안전평가에 대한 수치해석 연구', 한국화재소방학회 논문지, 제21권, 제3호, pp.15-23(2007)
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김성찬, 고권현, 이성혁, '생성율 개념에 기초한 화재모델의 신뢰성에 대한 연구', 한국화재소방학회 논문지, 제23권, 제4호, pp.130-136(2009)

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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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