본 연구에서는 담뱃불에 의한 낙엽 착화 특성에 대해 실험과 수치 해석을 이용하여 담뱃불로 인한 산불 발생 위험성에 대해 구명하고자 한다. 실험 방법은 P. densiflora와 Q. variabilis 2종의 낙엽에 대해 수분함유량, 풍속, 바람방향 대비 담뱃불 위치, 낙엽에서의 담뱃불 위치, 담배 굵기, 낙엽의 부서짐 정도, 경사조건 등 총 2,304 조건에 대해 5회 반복실험을 실시하였다. 낙엽의 온도변화는 전산수치해석을 통해 분석하였다. 실험 결과, 전체 2,304 조건의 실험에서 약 8.6%인 197조건에서 발화가 되었고 각 조건별 5회 반복실험에서 모두 발화된 최적조건은 전체의 약 0.6%인 13조건으로 조사되었다. 담뱃불로 인해 100% 발화가 가능한 최적 조건은 수분함유량 15% 미만, 부서진 낙엽상태, 풍속 2.0m/s 이상, 담뱃불이 낙엽에 덮여 있는 조건이 일치할 경우인 것으로 분석되었다. 열전달 수치해석을 이용한 Q. variabilis 낙엽의 온도변화를 분석한 결과, 담뱃불 부근의 낙엽 바닥면에서 약 $307^{\circ}C$(Max. $317^{\circ}C$) 이상 온도가 지속 되는 것으로 나타났다. 따라서 Q. variabilis의 자연발화 및 착화온도가 각각 $307^{\circ}C$, $305^{\circ}C$인 것에 비추어 담뱃불로 인한 발화가 가능한 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 담뱃불에 의한 낙엽 착화 특성에 대해 실험과 수치 해석을 이용하여 담뱃불로 인한 산불 발생 위험성에 대해 구명하고자 한다. 실험 방법은 P. densiflora와 Q. variabilis 2종의 낙엽에 대해 수분함유량, 풍속, 바람방향 대비 담뱃불 위치, 낙엽에서의 담뱃불 위치, 담배 굵기, 낙엽의 부서짐 정도, 경사조건 등 총 2,304 조건에 대해 5회 반복실험을 실시하였다. 낙엽의 온도변화는 전산수치해석을 통해 분석하였다. 실험 결과, 전체 2,304 조건의 실험에서 약 8.6%인 197조건에서 발화가 되었고 각 조건별 5회 반복실험에서 모두 발화된 최적조건은 전체의 약 0.6%인 13조건으로 조사되었다. 담뱃불로 인해 100% 발화가 가능한 최적 조건은 수분함유량 15% 미만, 부서진 낙엽상태, 풍속 2.0m/s 이상, 담뱃불이 낙엽에 덮여 있는 조건이 일치할 경우인 것으로 분석되었다. 열전달 수치해석을 이용한 Q. variabilis 낙엽의 온도변화를 분석한 결과, 담뱃불 부근의 낙엽 바닥면에서 약 $307^{\circ}C$(Max. $317^{\circ}C$) 이상 온도가 지속 되는 것으로 나타났다. 따라서 Q. variabilis의 자연발화 및 착화온도가 각각 $307^{\circ}C$, $305^{\circ}C$인 것에 비추어 담뱃불로 인한 발화가 가능한 것으로 분석되었다.
In order to find out the environment vulnerable to cigarette fire in which smoldering fire grows into flame fire, a cigarette combustion test and numerical analysis were performed using fallen leaves of P. densiflora and Q. variabilis. Tests were repeated five times on 2,304 conditions with four cas...
In order to find out the environment vulnerable to cigarette fire in which smoldering fire grows into flame fire, a cigarette combustion test and numerical analysis were performed using fallen leaves of P. densiflora and Q. variabilis. Tests were repeated five times on 2,304 conditions with four cases of fuel moisture content, six cases of velocity, two cases of cigaret location against direction of the wind, three cases of cigaret location against fallen leaves, two species of thickness of cigaret, two cases of slope conditions and two cases of fragileness of fallen leaves. Cigaret fire's flammability to the fallen leaves was monitored by analyzing heat transfer process using CFD (Computational Fluid Dynamic) under the most optimal condition through an ignition test on 2,304 conditions. The result of a cigaret fire ignition test for fallen leaves, found ignition in 197 conditions out of 2,304 conditions representing 8.6% while 13 conditions representing approximately 0.6% saw ignition across five repeated tests. The result of CFD analysis, the temperature of the bottom of fallen leaves was reached on self-ignition and pilot-ignition temperature.
In order to find out the environment vulnerable to cigarette fire in which smoldering fire grows into flame fire, a cigarette combustion test and numerical analysis were performed using fallen leaves of P. densiflora and Q. variabilis. Tests were repeated five times on 2,304 conditions with four cases of fuel moisture content, six cases of velocity, two cases of cigaret location against direction of the wind, three cases of cigaret location against fallen leaves, two species of thickness of cigaret, two cases of slope conditions and two cases of fragileness of fallen leaves. Cigaret fire's flammability to the fallen leaves was monitored by analyzing heat transfer process using CFD (Computational Fluid Dynamic) under the most optimal condition through an ignition test on 2,304 conditions. The result of a cigaret fire ignition test for fallen leaves, found ignition in 197 conditions out of 2,304 conditions representing 8.6% while 13 conditions representing approximately 0.6% saw ignition across five repeated tests. The result of CFD analysis, the temperature of the bottom of fallen leaves was reached on self-ignition and pilot-ignition temperature.
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문제 정의
variabilis 두 수종의 낙엽에 대해 온전한 낙엽과 온전한 낙엽의 약 3% 크기로 잘게 부서진 낙엽에 대해 실험하였다. 도로주변 또는 산책로 주변 등 사람이 다니는 곳의 낙엽은 온전하지 않고 부서져 있기 때문에 담뱃불 발화율에 어떤 영향이 있는지 살펴보기 위해 부서진 낙엽에 대해 실험을 실시하였다. 낙엽 착화실험에서 동일한 수분조건으로 반복실험을 실시하기 위해 젖은 낙엽을 80°C 열풍건조기에 건조시켜 시간경과에 따라 달라지는 수분함유량의 낙엽을 밀폐용기에 보관하여 실험을 실시하였다.
자연상태의 담뱃불의 연소방향은 정방향 훈소 연소이지만 바람의 방향과 반대방향일 경우 역방향 훈소 형태로 정방향 연소에 비해 느린 연소속도를 나타내게 된다. 따라서 담뱃불 변화에 대한 착화율 차이를 살펴보고자 한다. 낙엽 층에서의 담뱃불 위치는 Figure 4에서 보이는 바와 같이, 낙엽 위, 낙엽 중간, 낙엽 바닥 3가지에 대해 실험하였다.
국내 연구에서는 담배에 의한 착화성에 관한 실험 연구는 발표된 바 없으며 천연 섬유, 쌀겨, 전분 등 분진에 대한 연소특성 및 훈소 위험성에 대한 연구가 진행된 바 있다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 주요수종인 소나무와 굴참나무 낙엽을 대상으로 담뱃불에 의한 훈소 연소가 화염 연소로 전이될 수 있는 조건을 실험을 통해 알아보고자 한다. 또한 열전달과정에 대한 수치해석을 통해 온도변화를 분석하여 담뱃불에 의한 낙엽 착화가능성에 대해 증명하였다.
결론적으로 담뱃불은 산불을 발생시킬 수 있고 이로 인해 2005년 양양산불과 같은 재해를 가져올 수 있는 불씨가 될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 흡연자들에 대한 지속적인 계도 및 방지활동에 대한 필요성과 함께 화재발생 위험성이 보다 낮은 화재안전담배를 사용할 것을 제안하고자 한다.
본 연구에서 실시한 담뱃불 낙엽 착화 실험과 수치해석을 통한 낙엽부위별 온도변화 분석 결과를 토대로 다음과 같이 정리하고자 한다.
가설 설정
densiflora fallen leaves, (c) thermal image during ignition of Q. variabilis fallen leaves, (d) thermal image during ignition of P. densiflora fallen leaves.
담배의 연소 조건은 연소속도 0.095mm/s, 담뱃불 최대온도 600ºC로 설정하였고 대기온도조건에서 10초 후에 담배의 온도가 최대온도로 상승하여 지속적으로 연소되는 것을 가정하였다.
일반적으로 산불위험시기의 낙엽 수분함유량은 15% 미만이지만 20% 이상의 수분함유량 조건에서도 담뱃불로 인한 발화가 가능한지 함께 실험하였다. 풍속별 실험은 풍속이 빠를수록 공기유입량이 증가하고 이로 인해 훈소 면적이 증가되는 것에 가정을 두고 풍속별 착화실험을 실시하였다. 경사조건은 평지, 20º 등 2가지 조건에 대해 실험하였다.
제안 방법
경사조건은 평지, 20º 등 2가지 조건에 대해 실험하였다.
낙엽 착화실험에서 동일한 수분조건으로 반복실험을 실시하기 위해 젖은 낙엽을 80°C 열풍건조기에 건조시켜 시간경과에 따라 달라지는 수분함유량의 낙엽을 밀폐용기에 보관하여 실험을 실시하였다.
따라서 담뱃불 변화에 대한 착화율 차이를 살펴보고자 한다. 낙엽 층에서의 담뱃불 위치는 Figure 4에서 보이는 바와 같이, 낙엽 위, 낙엽 중간, 낙엽 바닥 3가지에 대해 실험하였다. 담뱃불이 낙엽층 아래에 있을수록 산소공급이 원활하지 않지만 훈소 연소시 발열되는 에너지를 보전할 수 있는 특성을 함께 가지고 있다.
바람의 방향은 담배의 연소가 정방향 훈소 연소가 진행될 수 있도록 하였다. 담배는 cylinder 형상으로 표현하였고 담배가 낙엽에 덮여진 조건으로 하여 온도변화를 관찰하였다.
담배에 대한 조건은 먼저. 담배의 굵기에 따라 발화원 표면적이 달라지기 때문에 착화율에 영향을 미칠 수 있다는 가정을 두고 우리나라에서 판매하는 담배 굵기인 8mm, 5mm 이 2가지에 대해 실험하였다. 바람이 부는 방향에 따른 담뱃불의 위치는 Figure 3에서 보이는 바와 같이, 불씨가 순방향과 역방향의 2가지 위치에 대해 실험을 실시하였다.
095mm/s, 담뱃불 최대온도 600ºC로 설정하였고 대기온도조건에서 10초 후에 담배의 온도가 최대온도로 상승하여 지속적으로 연소되는 것을 가정하였다. 담배의 연소속도는 국내산 8mm 담배에 불을 붙인 뒤 수평상태에서 자연적인 연소 속도를 측정하여 적용하였다. 담뱃불 최대온도는 열화상 카메라 측정을 통해 담배표면의 최고온도인 약 600ºC를 적용하였으면 이는 Figure 1의 600ºC부근의 지점과 일치한다.
물성값에서 열전도도는 일반적인 셀룰로오즈 성분의 열전도도 값을 적용하였고 비열은 표준대기조건을 적용하였다. 담뱃불 낙엽 착화 상태 조건은 상기 실험에서 5회 반복 실험시 모두 착화가 일어난 조건인 굴참나무 온전한 낙엽, 수분함유량 8%, 풍속 2m/s, 평지, 정방향 담뱃불 위치, 낙엽중간층의 담뱃불 위치, 담배굵기 8mm로 설정하였다. 담배의 연소 조건은 연소속도 0.
5 m/s 등 6가지 조건으로 실험하였다. 담뱃불 착화 실험은 각 조건별로 25분간 진행하였으며 Thermal image camera를 이용하여 표면에 감지되는 열이 나타나지 않을 때까지 실험을 진행하였다.
담뱃불로 인한 낙엽의 착화가능성을 판단하기 위해 전산유체역학을 이용하여 온도변화를 해석하였다. 수치해석에서 유체 및 에너지의 이동현상 해석에 필요한 방정식은 질량, 운동량, 에너지 보존법칙을 미소 체적에 적용하여 비선형연립편미분 방정식으로 해석하였다.
담뱃불이 낙엽층 아래에 있을수록 산소공급이 원활하지 않지만 훈소 연소시 발열되는 에너지를 보전할 수 있는 특성을 함께 가지고 있다. 따라서 담뱃불 낙엽착화 실험은 상기에서 언급한 8가지 변수들에 대해 총 2304조건에 대해 5회 반복하여 실시하였다(Table 2).
또한 경사각을 0~30º까지 조절할 수 있도록 제작하였다.
따라서 본 연구에서는 우리나라 주요수종인 소나무와 굴참나무 낙엽을 대상으로 담뱃불에 의한 훈소 연소가 화염 연소로 전이될 수 있는 조건을 실험을 통해 알아보고자 한다. 또한 열전달과정에 대한 수치해석을 통해 온도변화를 분석하여 담뱃불에 의한 낙엽 착화가능성에 대해 증명하였다.
수치해석을 이용한 담뱃불의 낙엽착화가능성을 해석하기 위해 굴참나무 낙엽을 대상으로 Table 3, 4와 같이 물성 값과 형상정보 값을 각각 설정하였다. 물성값에서 열전도도는 일반적인 셀룰로오즈 성분의 열전도도 값을 적용하였고 비열은 표준대기조건을 적용하였다. 담뱃불 낙엽 착화 상태 조건은 상기 실험에서 5회 반복 실험시 모두 착화가 일어난 조건인 굴참나무 온전한 낙엽, 수분함유량 8%, 풍속 2m/s, 평지, 정방향 담뱃불 위치, 낙엽중간층의 담뱃불 위치, 담배굵기 8mm로 설정하였다.
담배의 굵기에 따라 발화원 표면적이 달라지기 때문에 착화율에 영향을 미칠 수 있다는 가정을 두고 우리나라에서 판매하는 담배 굵기인 8mm, 5mm 이 2가지에 대해 실험하였다. 바람이 부는 방향에 따른 담뱃불의 위치는 Figure 3에서 보이는 바와 같이, 불씨가 순방향과 역방향의 2가지 위치에 대해 실험을 실시하였다. 자연상태의 담뱃불의 연소방향은 정방향 훈소 연소이지만 바람의 방향과 반대방향일 경우 역방향 훈소 형태로 정방향 연소에 비해 느린 연소속도를 나타내게 된다.
본 실험에서는 우리나라 산악에서 사람이 통행 할 수 있는 산림의 평균 경사각을 약 20°로 적용하여 평지와 20º 경사 등 2가지 조건으로 실험하였다.
낙엽 착화실험에서 동일한 수분조건으로 반복실험을 실시하기 위해 젖은 낙엽을 80°C 열풍건조기에 건조시켜 시간경과에 따라 달라지는 수분함유량의 낙엽을 밀폐용기에 보관하여 실험을 실시하였다. 이때 낙엽의 수분함유량 조건은 P. densiflora는 15%, 23%, 37%, 42%, Q. variabilis는 8%, 13%, 17%, 29% 등 각각 4조건으로 실험하였다. 일반적으로 산불위험시기의 낙엽 수분함유량은 15% 미만이지만 20% 이상의 수분함유량 조건에서도 담뱃불로 인한 발화가 가능한지 함께 실험하였다.
variabilis는 8%, 13%, 17%, 29% 등 각각 4조건으로 실험하였다. 일반적으로 산불위험시기의 낙엽 수분함유량은 15% 미만이지만 20% 이상의 수분함유량 조건에서도 담뱃불로 인한 발화가 가능한지 함께 실험하였다. 풍속별 실험은 풍속이 빠를수록 공기유입량이 증가하고 이로 인해 훈소 면적이 증가되는 것에 가정을 두고 풍속별 착화실험을 실시하였다.
Figure 2에서 왼쪽에 위치한 장치는 낙엽을 놓는 시료함으로 가운데 칸막이를 두어 1회 3반복 실험을 할 수 있도록 제작하였다. 특히, 3회 동시 반복 실험에서 한 지점에서 먼저 발화할 경우, 옆 시료함에는 열이 전달되지 않도록 제작하였다. 또한 경사각을 0~30º까지 조절할 수 있도록 제작하였다.
풍속은 시료함 연료표면에서 풍속을 측정한 후 송풍기 전류량 조절을 통해 풍속을 조절하였고 no wind, 0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s, 2.0m/s, 2.5 m/s 등 6가지 조건으로 실험하였다. 담뱃불 착화 실험은 각 조건별로 25분간 진행하였으며 Thermal image camera를 이용하여 표면에 감지되는 열이 나타나지 않을 때까지 실험을 진행하였다.
대상 데이터
일반적으로 담배를 떨어트릴 경우, 낙엽층의 Litter층에 떨어지고 Humus층과 Fermentation층은 Litter층에 비해 수분함유량이 많고 공기 투과율이 낮아 발화가능성이 매우 낮을 것이라 판단하여 실험대상에서 제외하였다. 따라서 시료는 Table 2와 같이 P. densiflora, Q. variabilis 두 수종의 낙엽에 대해 온전한 낙엽과 온전한 낙엽의 약 3% 크기로 잘게 부서진 낙엽에 대해 실험하였다. 도로주변 또는 산책로 주변 등 사람이 다니는 곳의 낙엽은 온전하지 않고 부서져 있기 때문에 담뱃불 발화율에 어떤 영향이 있는지 살펴보기 위해 부서진 낙엽에 대해 실험을 실시하였다.
시료의 채취는 소나무와 굴참나무 산림의 낙엽의 Litter층을 채집하여 실험하였다. 일반적으로 담배를 떨어트릴 경우, 낙엽층의 Litter층에 떨어지고 Humus층과 Fermentation층은 Litter층에 비해 수분함유량이 많고 공기 투과율이 낮아 발화가능성이 매우 낮을 것이라 판단하여 실험대상에서 제외하였다.
이론/모형
담뱃불로 인한 낙엽의 착화가능성을 판단하기 위해 전산유체역학을 이용하여 온도변화를 해석하였다. 수치해석에서 유체 및 에너지의 이동현상 해석에 필요한 방정식은 질량, 운동량, 에너지 보존법칙을 미소 체적에 적용하여 비선형연립편미분 방정식으로 해석하였다. CFD Fluent를 이용한 수치해석 모델링은 해석에 필요한 지배방정식을 사용하는데 주요해석 인자들에 대한 지배방정식은 다음과 같다.
여기서 난류 모델은 Standard k-ε model을 적용하였고 복사열전달 모델은 S2S(surface to surface) model을 적용하였다.
성능/효과
51%로 나타났다. 1,152 조건에서 1회 이상 착화가 일어난 조건은 P. densiflora에서는 70 조건, Q. variabilis는 60 조건으로 조건별 착화율은 각각 6.94%, 5.21%로 나타났다. 굴참나무에 비해 소나무 낙엽의 착화율이 다고 높게 나타났다.
P. densiflora 낙엽에서는 no slope 1.67%, 20° 2.15%, Q. variabilis에서는 no slope 0.69%, 20o2.33%의 발화율을 보였다.
결론적으로 담뱃불은 산불을 발생시킬 수 있고 이로 인해 2005년 양양산불과 같은 재해를 가져올 수 있는 불씨가 될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 흡연자들에 대한 지속적인 계도 및 방지활동에 대한 필요성과 함께 화재발생 위험성이 보다 낮은 화재안전담배를 사용할 것을 제안하고자 한다.
14% 발화율을 나타냈다. 결론적으로 온전한 낙엽이 부서진 낙엽에 비해 상대적으로 발화가 잘 일어나지 않았고 분쇄된 소나무 낙엽의 경우 분쇄된 굴참나무 낙엽보다 약 33% 높은 발화율을 보였다.
경사도에 따른 담뱃불 착화 실험 결과, 평지 조건에서보다 20도 경사조건에서의 발화율이 높게 나타났다. P.
담배 굵기에 따른 낙엽 착화 실험에서는 Table 5에서 보이는 바와 같이 8mm 굵기의 담배 착화율이 5mm 굵기의 담배 착화율보다 약 48배 높은 착화율을 나타내었다. 5mm 굵기의 담배에서는 풍속 2.
담뱃불로 인한 산불 발생률을 살펴보면, 한국은 연평균 570건의 산불 발생 중 51건인 약 9.8%, 일본은 2,082건의 산불 발생 중 298건인 약 12.7%, 미국 Fish& Wildlife Service에서 관리하고 있는 지역의 산불 통계에서는 537건의 산불 발생 중 15건인 약 2.7%가 담뱃불로 인해 산불이 발생되는 것으로 조사되었다(Table 1).
따라서 Q. variabilis 낙엽의 Self-ignition 273ºC, Pilot ignition 305ºC3) 이므로 수치해석 결과, 낙엽 착화가 가능한 온도에 도달하는 것으로 나타났다.
5m/s 이상, 수분함유량 15% 미만, 분쇄낙엽, 20º 경사조건, 낙엽의 중간층에 놓여 있을 경우에만 부분적으로 착화가 되었다. 따라서 발화원의 표면적이 클수록 착화가 용이한 것으로 나타났다. 하지만 5mm 굵기의 얇은 담배의 경우에도 최적의 조건일 때는 낙엽 착화가 가능한 것으로 나타나 결론적으로 담배 크기에 관계없이 낙엽 착화가 가능한 것으로 볼 수 있다.
variabilis 낙엽의 경우 13%까지 발화가 되었지만 17%이상의 수분함유량 조건에서는 발화되지 않았다. 따라서, P. densiflora 낙엽의 경우에는 상대적으로 수분함유량이 높은 조건에서도 발화가 가능한 것으로 나타났다. Figure 8은 수분함유량에 따른 낙엽 착화 평균 소요시간 측정 결과로 수분함유량이 높을수록 착화소요시간이 많이 걸리는 것으로 나타났다.
바람에 대한 담뱃불 방향에 따른 착화 실험 결과, 바람에 대한 정방향 연소와 역방향 연소의 발화율 차이 실험에서 P. densiflora 낙엽의 경우, 양 방향 모두 1.91%의 동일한 발화율을 보였고 Q. variabilis에서는 정방향 연소가 약 0.18% 발화율이 높게 나타났다(Table 5). 따라서 바람에 대한 담뱃불 방향에 따른 착화율은 큰 차이를 보이지 않았다.
수종별 각 1,152조건에 대해 5회 반복 실험한 낙엽의 담뱃불 착화율은 P. densiflora 1.91%, Q. variabilis 1.51%로 나타났다. 1,152 조건에서 1회 이상 착화가 일어난 조건은 P.
따라서 낙엽층의 담뱃불 위치에 따른 최적의 발화 조건은 적절한 공기의 공급과 열에너지 손실이 적은 조건으로 볼 수 있다. 이 실험에서는 낙엽의 중간층에서의 발화 조건이 가장 최적 조건인 것으로 판단된다.
첫째, 담뱃불 낙엽 발화 실험 조건에서 5회 반복 실험 모두 발화한 공통조건은 분쇄 상태의 낙엽, 담뱃불이 낙엽에 덮여있는 상태, 풍속 2.0m/s 이상, 수분함유량 15% 미만, 8mm 굵은 담배 조건으로 조사되었다.
이번 연구를 통해 표면적 크기, 단열 효과, 산소 접촉 용이성 등 3가지 훈소 특성에 따른 착화특성을 Table 5의 실험결과를 바탕으로 평가하면 다음과 같다. 표면적의 크기별 발화율을 보면 전체 11,520회 실험 중 온전한 낙엽(whole faalen leaves)은 4건이 발화 되었고 3% size of whole fallen leaves는 194건의 발화되어 표면적이 클수록 발화율이 현저히 높게 나타났다. 단열효과와 산소접촉 용이성은 낙엽층의 담뱃불 위치별 발화율에서 설명할 수 있다.
풍속에 따른 낙엽착화 소요시간은 Figure 10에서 보이는 바와 같이 풍속이 증가할수록 착화 소요시간이 빨라지는 것을 알 수 있고 최대 착화 소요시간은 풍속 1.0m/s일때 20분 12초, 최소 착화 소요시간은 풍속 2.5m/s 일때 1분 30초로 나타났다. 풍속별 평균 착화소요시간은 2.
후속연구
셋째, 낙엽층에 담뱃불이 떨어지면 처음에는 불꽃이 일어나지 않으나 낙엽속의 축열 효과로 인해 발화하는데 걸린 경과시간은 최대 20분 12초가 소요되어 산불 발생 감시 및 원인 조사 등에 이에 대한 시간적 고려가 필요하다.
참고문헌 (12)
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