[논문]환기부족 화재에서 일산화탄소 발생에 대한 FDS의 예측성능

고권현

문제 정의

이 과정에서 FDS의 버전에 따른 해석 결과의 차이도 논의된다. 또한 일산화탄소 예측을 위해 도입된 연료 소모량 대비 CO 생성율(yield rate)의 개념이 해석 결과에 미치는 영향을 살펴본다. 이 과정에서 FDS를 이용한 환기부족 화재 해석의 정확성을 향상시키기 위해 고려해야 할 점에 대해 토의한다.
본 연구에서는 ISO-9705 표준 화재실의 2/5 모형에서의 구획화재에 대한 FDS 해석을 수행하고 일산화탄소를 포함한 연소가스의 성분을 중심으로 FDS의 예측 성능을 살펴보았다. 해석 결과를 기존의 실험 결과¹⁰⁾와의 비교함으로써 고온 상층부에서의 연소가스 농도에 대한 예측 성능을 평가하고 CO 생성율의 변화가 국부 위치에서의 CO 농도의 예측에 미치는 영향 등을 분석하였다.
본 연구에서는 환기부족 조건의 구획화재에 대한 FDS 해석을 수행하고 일산화탄소를 포함한 연소가스의 성분을 중심으로 FDS의 예측 성능을 살펴보고자 한다. 해석 기법 및 결과의 검증을 위해 기존의 실험 결과¹⁰⁾와의 비교 분석을 수행한다.
또한 Figure 6(b)의 헵탄-공기 화재의 경우 340 kW에 해당하는 3000초 이후에서 실험값에 비해 약 절반 정도로 하향 예측하고 있음을 알 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 이단반응 혼합분율 모델에서도 생성율 값이 CO 예측에 큰 영향을 미치게 됨으로 이에 대한 영향을 살펴보려 한다.
또한 일산화탄소 예측을 위해 도입된 연료 소모량 대비 CO 생성율(yield rate)의 개념이 해석 결과에 미치는 영향을 살펴본다. 이 과정에서 FDS를 이용한 환기부족 화재 해석의 정확성을 향상시키기 위해 고려해야 할 점에 대해 토의한다.
복사 열전달은 유한체적법에 따라 계산되며 난류 모델의 경우 DNS와 LES 모델을 제공하는데 본 연구에서는 LES를 Smagorinsky의 에디 점성 모델과 함께 사용하였다. 지배방정식과 다른 모델의 자세한 내용은 모두 참고문헌⁶⁾에서 찾을 수 있으므로 생략하고 여기서는 연소가스 예측에 관련된 부분에 대해서만 간략하게 소개한다.

제안 방법

메탄(CH₄, methane)과 헵탄(C₇H₁₆, heptane)을 연료로 사용했으며 연료 소모량 조건은 실험¹⁰⁾과 동일하게 설정하였다. CO와 그을음의 생성율은 SFPE 핸드북¹¹⁾에 제시된 값을 기본으로 하였으며 헵탄 화재의 경우 CO 생성율을 변화시켜가며 해석하고 그 영향을 분석하였다.
81 m이다. 고온 상층부의 출입구 근처 지점(FP)과 뒷벽 근처 지점(RP)에서 온도 및 연소 가스 농도 등을 측정하였다. 실험 기법 및 오차율, 결과 데이터 등의 구체적 사항은 참고문헌¹⁰⁾에서 찾을 수 있다.
Figure 2에 나타낸 바와 같이 화재실 출입구를 통한 공기의 유출입 과정을 함께 해석하기 위해서 화재실 외부로 확장된 해석 영역을 구성하였다. 또한 해석 시간을 절감하기 위해서 대칭경계조건을 이용하여 전체 형상의 절반에 해당하는 부분을 해석 영역으로 선정하였다. 화재실 내부 및 외부는 한 변의 길이가 각각 2 cm와 4 cm인 정방형 격자로 구성되었으며 400 kW 메탄 화재의 경우 화재실 내부 격자크기에 대한 무차원 특성길이의 비(D^*/dx)는 약 18 정도이다.
본 연구에서는 ISO-9705 표준 화재실의 2/5 모형에서의 구획화재에 대한 FDS 해석을 수행하고 일산화탄소를 포함한 연소가스의 성분을 중심으로 FDS의 예측 성능을 살펴보았다. 해석 결과를 기존의 실험 결과¹⁰⁾와의 비교함으로써 고온 상층부에서의 연소가스 농도에 대한 예측 성능을 평가하고 CO 생성율의 변화가 국부 위치에서의 CO 농도의 예측에 미치는 영향 등을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서 수행한 해석의 조건을 Table 1에 정리하였다. 메탄(CH₄, methane)과 헵탄(C₇H₁₆, heptane)을 연료로 사용했으며 연료 소모량 조건은 실험¹⁰⁾과 동일하게 설정하였다. CO와 그을음의 생성율은 SFPE 핸드북¹¹⁾에 제시된 값을 기본으로 하였으며 헵탄 화재의 경우 CO 생성율을 변화시켜가며 해석하고 그 영향을 분석하였다.

데이터처리

본 연구에서는 환기부족 조건의 구획화재에 대한 FDS 해석을 수행하고 일산화탄소를 포함한 연소가스의 성분을 중심으로 FDS의 예측 성능을 살펴보고자 한다. 해석 기법 및 결과의 검증을 위해 기존의 실험 결과¹⁰⁾와의 비교 분석을 수행한다. 이 과정에서 FDS의 버전에 따른 해석 결과의 차이도 논의된다.

이론/모형

는 화원에서 발생되는 연기와 열의 거동에 중점을 두면서 저속의 열유동에 대한 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 푼다. 복사 열전달은 유한체적법에 따라 계산되며 난류 모델의 경우 DNS와 LES 모델을 제공하는데 본 연구에서는 LES를 Smagorinsky의 에디 점성 모델과 함께 사용하였다. 지배방정식과 다른 모델의 자세한 내용은 모두 참고문헌⁶⁾에서 찾을 수 있으므로 생략하고 여기서는 연소가스 예측에 관련된 부분에 대해서만 간략하게 소개한다.
본 연구에서는 Bundy 등¹⁰⁾에 의해 수행된 구획화재 실험을 바탕으로 해석 조건을 구성하였다. Bundy 등¹⁰⁾은 ISO-9705 표준화재실의 2/5 크기의 모형에서 다양한 화재 조건에 따라 화재실 상층부에서의 연소가스 농도 등을 측정하였으며 신뢰성 높은 데이터를 광범위하게 제공하였다.
본 연구에서는 FDS Ver. 5.5를 이용하여 해석을 수행한다. Figure 2에 나타낸 바와 같이 화재실 출입구를 통한 공기의 유출입 과정을 함께 해석하기 위해서 화재실 외부로 확장된 해석 영역을 구성하였다.

성능/효과

FDS Ver 5.5는 화재실 내부 상층부에서의 연소 가스 농도 예측에 있어 전체적으로 좋은 성능을 보였으며 특히 이전의 Ver 5.2의 해석 결과와 비교했을 때 CO 농도의 예측에 있어 상당히 개선된 결과를 보여주었다.
5까지 업데이트가 진행되었다.¹²⁾ 초기에 배포된 FDS Ver 5의 경우 환기부족 화재에서의 CO 예측 성능이 기존의 Ver 4에 비해 크게 향상되지 못하였고 이러한 결과를 바탕으로 이단반응 혼합분율 모델에 대한유효성에 의문을 제시하는 시각이 있었다.^8,9) 여기서는 CO 예측에 대한 FDS Ver.
일반적으로 구획화재의 성장 단계는 화재성장, 플래시오버(flashover), 최성기, 감쇠기로 구분된다.²⁾ 플래시오버 단계를 거치면 구획 내부의 대부분의 가연물이 열분해되어 연료 증기(fuel vapor)의 발생량이 급격히 증가한다. 이때 화재실로 유입되는 공기량이 개구부 형상 등의 제한에 의해 연료증기 생성량에 미치지 못하게 되면 구획내부에서 불완전 연소가 진행되는데 이러한 상태의 화재를 환기부족 화재(underventilated fires) 또는 환기지배형 화재(ventilationcontrolled fires)라 한다.
여기서 기억해야 할 것은 식(5)의 반응이 화염 이후 영역에서의 산화반응을 고려하는 것이고 화염면에서의 CO 발생은 앞서 단일 반응 모드에서와 같이 경험 데이터에 근거한 식 (1)을 통해 구해진다는 점이다.⁶⁾ 따라서 이단반응 혼합분율 모델에서도 CO의 생성율을 적절하게 선정하는 것이 연소가스 농도의 예측 성능을 향상시키기 위해 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 혼합분율 모델에 대한 보다 자세한 사항은 참고 문헌⁶⁾에서 찾을 수 있다.
6) 환기부족 조건과 같이 이차반응에 참여할 O₂의 량이 부족한 경우 CO₂생성이 억제되고 최종적으로 CO의 농도를 증가시키게 된다. 여기서 기억해야 할 것은 식(5)의 반응이 화염 이후 영역에서의 산화반응을 고려하는 것이고 화염면에서의 CO 발생은 앞서 단일 반응 모드에서와 같이 경험 데이터에 근거한 식 (1)을 통해 구해진다는 점이다.
FDS 해석에서 일종의 해석 조건으로 선정되는 CO 생성율 값이 CO 농도의 예측에 큰 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 일반적으로 SFPE 핸드북¹¹⁾에서 제시하는 생성율이 사용되고 있으나 환기부족 조건이 심화되는 경우 생성율을 변화시킴으로써 실험값에 더 근접한 결과를 얻을 수 있었다.
2의 해석 결과와 비교했을 때 CO 농도의 예측에 있어 상당히 개선된 결과를 보여주었다. 그럼에도 불구하고 환기부족 조건이 심화된 화재에서 CO 농도를 실험값에 비해 크게 하향 예측하는 것을 확인할 수 있었다.
이것은 CO 생성율 값이 연소 반응 전체에서 생성되는 CO의 양을 결정짓는 중요한 요소임을 다시 한번 확인시켜준다. 실험 결과와 비교해 보면 SFPE 핸드북¹¹⁾에 제시된 0.01의 값을 사용한 경우 과환기 조건에 해당하는 150 kW와 환기부족 조건에 해당하는 250 kW에서 실험값에 근사한 결과를 보여줌을 알 수 있다. 그러나 환기부족 조건이 매우 심화되는 340 kW 의 화재 크기에서 0.
5의 결과는 Figure 3(b)의 CO 농도와 동일한 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이 환기부족 조건에서 FDS Ver. 5.5의 예측 결과는 실험값에 비해 다소 하향예측하고 있으나 Ver 5.2의 결과에 비하면 전체적으로 매우 향상된 예측 성능을 보이고 있음을 알수 있다. 문헌^6,12)에는 FDS의 두 버전에 적용된 혼합분율 모델간의 차이점이 명시되어 있지 않기 때문에 이러한 차이에 대한 원인을 정확히 파악하기는 어렵다.
또한 340 kW의 화재크기에서는 생성율의 증가가 실험 결과와의 차이를 줄이는 역할을 하게 되는 반면에 150 kW에서는 오히려 CO의 농도를 과다하게 예측하게 하고 있다. 이러한 결과는 특정한 값으로 생성율을 설정하는 것이 화재 환경, 특히 환기 특성의 변화에 민감하게 반응할 수 없다는 것을 확인시켜 준다. 따라서 앞으로 화재의 크기 또는 주변의 환기 조건에 따라 적절한 생성율 값을 결정할 수 있는 새로운 관계식 또는 해석 모델의 개발이 필요할 것으로 생각된다.

후속연구

이러한 결과는 특정한 값으로 생성율을 설정하는 것이 화재 환경, 특히 환기 특성의 변화에 민감하게 반응할 수 없다는 것을 확인시켜 준다. 따라서 앞으로 화재의 크기 또는 주변의 환기 조건에 따라 적절한 생성율 값을 결정할 수 있는 새로운 관계식 또는 해석 모델의 개발이 필요할 것으로 생각된다.
일반적으로 SFPE 핸드북¹¹⁾에서 제시하는 생성율이 사용되고 있으나 환기부족 조건이 심화되는 경우 생성율을 변화시킴으로써 실험값에 더 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 앞으로 화재 크기나 환기 조건에 따라 적절한 생성율을 결정할 수 있는 새로운 관계식 또는 해석 모델의 개발이 필요할 것으로 생각된다.
여기서 중요한 점은 프로그램의 버전에 따라 FDS의 일산화탄소 예측 결과가 큰 차이를 보인다는 것이다. 특히 최근에 FDS가 소방 안정성 평가나 성능위주설계 등의 실제 분야에 널리 사용되고 있다는 점을 고려할 때 FDS 화재 해석을 수행함에 앞서 적용 목적과 관련된 FDS 모델의 유효성을 검증하는 단계가 반드시 선행되어야 할 것으로 생각된다.

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