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문제 정의
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 일차적으로 실제규모의 ISO 9705 표준 화재실에서 과환기 및 환기부족화재에 대한 실험을 수행하였다. 이들 조건에서 측정된 발열량(heat release rate), 온도, 열유속(heat flux)그리고 주요 화학종의 농도들은 수치해석 결과와 직접적으로 비교되었으며, 이를 통해 FDS의 화재현상에 대한 정량적인 예측성능을 평가하였다.
- 수행되었다. 이를 통해 환기조건에 따른 FDS의 예측성능에 대한 체계적인 평가가 이루어졌다.
제안 방법
- 연료는 헵탄(C7H16)이 사용되었으며, 정사각형의 버너(또는 pan)가 건물 중앙에 설치되었다. 과환기조건에서는 연료의 질량유량 변화를 통한 발열량을 변화시키기 위하여 펌프를 통해 공급유량을 조절하였다. 환기부족조건에서는 초기 공급된 연료만이 연소되는 pan이 사용되었다.
- 그러나 이는 환기부족화재에서 불완전연소의 특성을 반영하지 않으며, FDS 의 정확한 예측성능을 판단하는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 화원의 입력값으로 실험에서 측정된시간에 따른 연료의 유량 및 소모량을 직접 사용하였다. 또한 벽면의 정확한 열전달을 고려하기 위하여 온도에 의존하는 벽면 재질의 물성치 값들이 적용되었다.
- 233)이며 , riif 와 id는 각각연료의 질량유량(또는 연료 소모율)과 출입구를 통해외부에서 유입되는 공기의 질량유량이다. 본 실험에서는 출입구에 유입되는 공기의 질량유량이 측정되지 않았으며, 총괄당량비를 산출하기 위하여 수치계산을 통해 예측된 값을 사용하였다. Table 1에 제시된 바와 같이, 과환기화재에서는 발열량이 증가함에 따라 예측된 # 는 1.
- 실규모 ISO 9705 표준 화재실에서 과환기화재 및 환기부족화재에 대한 열 및 화학적 특성에 관한 실험과수치해석이 수행되었다. 이를 통해 환기조건에 따른 FDS의 예측성능에 대한 체계적인 평가가 이루어졌다.
- 대한 실험을 수행하였다. 이들 조건에서 측정된 발열량(heat release rate), 온도, 열유속(heat flux)그리고 주요 화학종의 농도들은 수치해석 결과와 직접적으로 비교되었으며, 이를 통해 FDS의 화재현상에 대한 정량적인 예측성능을 평가하였다.
- 온도 및 O, CO, CO2, THC를 포함한 화학종을 측정하기 위하여 R-type 열전대와 냉각 probe가 고온 상층부의 두 지점에서 설치되었다. 천정과 바닥에 각각 3개의 열유속계(total heat flux gages)가 설치되었으며, 수직방향의 온도분포를 확인하기 위하여 두 개의 K- type 열전대 tree가 사용되었다. 측정된 화학종의 농도는 습기준(wet basis)으로 변환되었다.
대상 데이터
- 발열량의 측정은 NIST 화재 실험동에 설치된 6m X 6m 정사각형 후드를 가진 산소소모 열량계를 이용하였다. 온도 및 O, CO, CO2, THC를 포함한 화학종을 측정하기 위하여 R-type 열전대와 냉각 probe가 고온 상층부의 두 지점에서 설치되었다.
- 실제 규모의 구획화재 실험을 위하여 Figure 1과 같은 2.4m X 3.6m X 2.4m의 크기를 갖는 ISO 9705 표준화 재실이 제작되었다. 과환기화재에서는 0.
- 내부 벽면에는 총 50mm 두께의 ceramic fiber blanket이 설치되었다. 연료는 헵탄(C7H16)이 사용되었으며, 정사각형의 버너(또는 pan)가 건물 중앙에 설치되었다. 과환기조건에서는 연료의 질량유량 변화를 통한 발열량을 변화시키기 위하여 펌프를 통해 공급유량을 조절하였다.
- 적절한 격자크기를 선정하기 위하여 3 가지의 격자계가 검토되었다. 효율적인 격자수 감소를 위하여 비균일 격자계가 사용되었으며, 총 30만개, 45 만개 그리고 60만개의 격자수가 검토되었다. 출입구 근처에서 발생되는 큰 구배의 유동을 해상하기 위하여추가적으로 약 0.
이론/모형
- 있다. FDS에서는 아격자(subgrid)모델로서 난류유동에 대해서는 original Smagorinsky eddy viscosity모델9)이 사용되며, 난류화염에 대해서는 혼합분율(mixture faction)모델2)이 적용되었다. 최근에는 소염 및 CO의 생성 .
- 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법 (explicit) 예측-교정자법이 적용되었다. 또한 열유속(#)은 복사열전달 방정식의 유한체적법(5)을 통해 고려되었다.
- 정보가 요구된다. 이를 위해 길이 규모는 격자의 크기, 즉 # =(AxAyAz)l/3AS 하였으며, 시간 규모는 SGS에서 에너지의 생성과 소멸 사이에 평형상태가 존재하다는 가정을 이용하는 original Smagorinsky의 모델14)에 의해 결정되었다. 이때 SGS의 에디 점성계수에 포함되는 상수 Cs는 0.
- 지배방정식의 차분을 위하여 공간에 대해서는 유한체 적법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다. 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법 (explicit) 예측-교정자법이 적용되었다.
- 환기조건에 따른 화재현상을 수치모사하기 위해 LES 의 수행이 가능한 FDS(ver. 5.1.6, SVN 1710)가 사용되었다. LES에서 순간적인 유동변수는 GS(grid scale) 성분(f)과 SGS(subgrid scale) 성분(f)으로 나뉘어진다.
성능/효과
- 과환기화재 및 환기부족화재의 전반적인 특성은 연소효율, 총괄당량비뿐만 아니라 고온 상층부의 온도분포, 연소 생성물의 농도에 의해 명확하게 구분되었다. 과환기화재에서 FDS는 넓은 범위의 총괄당량비 조건에 대해 측정된 온도, O2, CO, 및 CO 농도를 측정 불확실도 범위 내에서 정확하게 예측함을 확인하였다.
- 구분되었다. 과환기화재에서 FDS는 넓은 범위의 총괄당량비 조건에 대해 측정된 온도, O2, CO, 및 CO 농도를 측정 불확실도 범위 내에서 정확하게 예측함을 확인하였다. 환기부족화재의 경우, FDS는 시간이 증가할수록 CO2의감소 및 CO의 증가와 같은 비정상적인 반응특성을 정확하게 예측하지 못함을 확인하였다.
- 여기서 대부분의 에너지를 포함하고 난류에너지의 전달 역할을 주로 담당하는 큰 규모(large scale)의 에디(eddy)는 모델 없이 직접 계산하고, 작은 규모(sub잉-id scale)의 에디는 물리적 모델을 통해 처리하게 된다. 그 결과 LES 는 큰 규모의 단위로 해상되는 순간적인 화염면의 위치를 포착할 수 있으며, 낮은 주파수 범위에 해당되는물리량들의 비정상적인 변동을 고려할 수 있다.7)따라서 복잡한 화재의 비정상적인 현상을 구체적으로 이해하고 화재의 효율적인 제어 및 안전설계를 위해서는 LES 기법을 활용한 화재해석이 필수적이라 할 수 있다.
- 따라서 대부분의 화염이 건물 외부에 존재하는 환기부족화재에서는 불완전 연소생성물의 일부분이 열량계에 도달하기 이전에 외부 공기와의 접촉을통해 반응하게 된다. 그 결과 환기부족화재에서 측정된 발열량은 과환기화재에서의 발열량과 큰 차이를 보이지 않는다.
- 환기부족화재의 경우, FDS는 시간이 증가할수록 CO2의감소 및 CO의 증가와 같은 비정상적인 반응특성을 정확하게 예측하지 못함을 확인하였다. 그러나 준 정상상태 구간에서 평균온도 및 화학종의 평균농도를 비교적 정확히 예측함을 알 수 있었다.
- 앞부분에서 측정된 Figure 3(a)의 실험결과를 살펴보면, 발열량이 단계적으로 증가함에 따라서 온도 역시 단계적으로 증가되고있다. 또한 수치해석 결과는 온도 측정의 불확실도(total expanded uncertainty) ± 6% 범위 내에서 실험결과를 매우 잘 예측하고 있음을 알 수 있다. 발열량의 단계적인 증가에 따른 O2의 감소 및 CO2 의 증가현상 역시 농도 측정의 불확실도 ±12% 범위 내에서 수치해석 결과를 통해 잘 예측됨을 확인할 수 있다.
- 위 결과로 부터 FDS는 비정상적인 CO의 변화특성을 정확히 예즉하지는 못하지만, 평균적인 온도및 화학종의 농도는 비교적 정확히 예측함을 알 수 있었다. 또한 실험과정에서 발생되는 부분적인 오류는 수치계산의 논리적인 해석을 통해 환기부족화재 현상의보다 정확한 이해를 위해 유용하게 활용될 수 있음을알 수 있었다.
- 반면에 수치해석의 결과에서 THC는 CO의 분포와 유사하게 상층부 뒷부분에서 높은 값이 예측되고 있다. 마지막으로 온도분포를 살펴보면, 실험 및 수치계산에서 가시적으로 확인되었듯이 화염은 대부분 건물 외부에서 발생된다. 즉 화염 면 근처(앞부분)에서 최고의 온도가 발생될 것으로 예측된다.
- 또한 수치해석 결과는 온도 측정의 불확실도(total expanded uncertainty) ± 6% 범위 내에서 실험결과를 매우 잘 예측하고 있음을 알 수 있다. 발열량의 단계적인 증가에 따른 O2의 감소 및 CO2 의 증가현상 역시 농도 측정의 불확실도 ±12% 범위 내에서 수치해석 결과를 통해 잘 예측됨을 확인할 수 있다. 구획 내부의 충분한 산소량으로 인하여 CO의 발생량은 실험 및 계산 결과에서 모두 매우 낮은 농도를 보이고 있다.
- 본 연구를 통해 환기 및 환기부족화재에 대한 FDS 의 구체적인 예측성능을 평가하였으며, FDS 활용을 통한 논리적인 해석은 실험과정에서 발생되는 부분적인 측정오류를 보완하는데 매우 유용하게 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 최근에는 소염 및 CO의 생성 . 소멸을 간략히 모사할 수 있도록 단일 혼합 분율 모델에서 3단계 혼합분율 모델로 개선되었다. 그럼에도 불구하고 현재의 FDS 역시 특정 화재조건에서 CO 발생량에 대해 낮은 예측정확도를 보이고 있다.
- 03716)보다 매우 작은 값이다. 실제 종괄당량비가 증가함에 따라 그을음 생성량은 0.016에서 0.042로 매우 크게 증가함을 본 실험을 통해 확인하였다.(2) 그러나 McGiattan의 연구17)에서 확인할 수 있듯이, FDS에서는 낮은 그을음 생성량값이 부여되더라도 실제 실험에서의 그을음 농도보다 약 6배높게 예측된다.
- Table 2에 비교하였다. 실험결과에서 상층부의 앞부분과 뒷부분의 온도를 비교해보면, 뒷부분의 온도가 약 30℃ 정도 높음을 알 수 있다. 실제 발열량이 증가할수록 이 온도차는 더욱 크게 증가하며, 실제 발열량이 2070kW일 때 약 15CTC의 온도차이가 발생되었다.
- 소멸을 고려하기 위하여 다단계 혼합분율을 고려함에도 불구하고, 환기부족화재에서 비정상 CO의 발생특성을 정확히 예측하는데 한계가 있음을 알 수 있다. 실험에서 THC의 몰분율은시간증가에 따라 비교적 균일한 값을 보여주고 있으며, 수치해석에서도 유사한 경향을 보여주고 있다. 환기부족화재에서 상층부의 뒷부분에 해당되는 Figure 4(b)를 살펴보면, 화학종 농도에 대한 수치계산의 예측정확도는 Figure 4(a)와 유사함을 알 수 있다.
- 다만, 열유속의 즉정 시 다량의 그을음이 열유속계에 누적되어주가적인 열유속 상승을 계즉하지 못하는 문제점이 발견되었다. 위 결과로 부터 FDS는 비정상적인 CO의 변화특성을 정확히 예즉하지는 못하지만, 평균적인 온도및 화학종의 농도는 비교적 정확히 예측함을 알 수 있었다. 또한 실험과정에서 발생되는 부분적인 오류는 수치계산의 논리적인 해석을 통해 환기부족화재 현상의보다 정확한 이해를 위해 유용하게 활용될 수 있음을알 수 있었다.
- THC의 경우에 I* O5을 곱하여 표현됨을 고려할 때 실험 및 수치계산에서 모두 미량 발생됨을 알 수 있다. 위 결과로부터 FDS를 이용한 수치계산은 과 환기 화재를 측정 불확실도 범위 내에서 매우 정확히 예측하고있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 그러나 실제 규모의 화재실험에서는 제한된 국부위치나 특정 단면에서 낮은 해상도의 측정만이 이루어질 수 있다.5) 결과적으로 실험적 연구만을 통해서 복잡한 3차원 화재 거동 및 열유동 특성을 갖는 환기부족화재를 정확히 이해하는데 한계가 있다. 따라서 신뢰도 높은 수치해석을 통한 건물 내부의 3차원 해석은 환기부족화재의 CO 생성특성 뿐만 아니라 보다 상세한 화재거동을 이해하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
- 또한 그을음의 부정확한 예측결과는 온도, 열유속 및 농도의 변화에 큰 영향을 주지 않는다. 그 결과 본 연구에서 사용된 낮은 값의 그을음 생성량값은 환기조건의 변화에 따른 FDS의 예측성능 검토를위해 큰 문제가 없을 것으로 사료된다.
- 5) 결과적으로 실험적 연구만을 통해서 복잡한 3차원 화재 거동 및 열유동 특성을 갖는 환기부족화재를 정확히 이해하는데 한계가 있다. 따라서 신뢰도 높은 수치해석을 통한 건물 내부의 3차원 해석은 환기부족화재의 CO 생성특성 뿐만 아니라 보다 상세한 화재거동을 이해하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
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