[논문]화점높이 변화에 따른 Whirl Fire의 질량감소 및 공기유입속도

박형주

화점높이 변화에 따른 Whirl Fire의 질량감소 및 공기유입속도
Mass Loss and Air Entrainment Rate of Whirl Fire by Height of Fire Source 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.25 no.2, 2011년, pp.126 - 131

초록
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화점높이 변화에 따른 회오리 화염의 질량감소속도와 공기유입속도를 알아보기 위하여 회오리 화염 연구에서 많이 사용되고 있는 인화성 액체인 메탄올과 노말 헵탄을 사용하였다. 용기의 재질은 스테인레스로 100mm ${\times}$ 100mm ${\times}$ 50mm 크기의 사각형으로 제작하여 연소실험에 사용하였다. 외부로부터 화염으로 의 공기유입속도는 화점의 높이를 0cm에서 30cm로 변화시켰을 때, 0cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타냈으며, 동일한 화점의 높이에서는 다점풍속기의 높이가 30cm인 경우에 가장 빠른 평균 공기유입속도와 최대 공기유입속도를 나타내었다. 또한 메탄올과 노말 헵탄의 회오리 화염의 결과로부터 질량감소속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 1.33~1.58배, 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 4.38~5.44배 각각 빠름을 알 수 있었다. 결론적으로, 회오리 화염에서 질량감소속도와 외부에서 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이가 증가할수록 감소하며, 같은 실험조건에서 시료의 고위/저위 발열량이 높을수록 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is intended to understand mass loss rate and air entrainment rate of the whirl fire by height of fire source. Liquid fuels were methanol and n-Heptane which are used in many studies of whirl fire. Size of vessel was 100 mm ${\times}$ 100 mm ${\times}$ 50 mm and the vessel was made by stainless steel. When height of fire source changed from 0 cm to 30 cm, air entrainment rate showed the fastest in case of 0 cm. And in the same height of fire source, average and maximum air entrainment rate showed the fastest in 30 cm of anemometer. From the results of whirl fire for methanol and n-Heptane, mass loss rate and air entrainment rate of n-Heptane was found to faster 1.33 to 1.58 times and 4.38 to 5.44 times compared with methanol, respectively. Consequently, mass loss rate and air entrainment rate in whirl fire was able to identified decrease as height of fire source increases and the higher the heating value, increases the that's value.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

회오리 화염과 관련된 많은 실험과 이론적 연구는 과거 회오리 화염에 의한 재해를 기초로 하여 발생 원인에 대한 메커니즘을 밝히기 위해 실시되었다. 그러나 회오리 화염은 도시화재나 산불화재와 같은 광범위한 지형에서 발생하고, 여러 기상조건 및 자연환경과 같은 다양한 변수들을 고려해야 하기 때문에 실제 크기로 연구를 진행한다는 것은 거의 불가능하며 회오리 화염의 특성과 발생메커니즘을 명확히 정의내리기는 어려운 실정이다.

제안 방법

본 연구에서는 인화성 액체 연료인 메탄올과 노말 헵탄을 시료로 하여 화점높이의 변화에 따른 회오리 화염의 질량감소속도와 공기유입속도를 측정하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 평균 질량감소속도에 있어서 화점의 높이가 0cm일때 메탄올의 경우 27.
본 연구에서는 풀 화재에서 회오리 화염이 발생되는 실험 장치를 구성하여 연소가 진행됨에 따라 자발적으로 회오리 화염이 생성되도록 하였으며, 인화성 액체인 메탄올과 노말 헵탄을 시료로 사용하여 화점의 높이에 따른 회오리 화염의 질량감소속도(mass loss rate) 및 외부로부터 화염으로의 공기유입속도(air entrainment rate) 등의 변화를 측정하였다.
35cm의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90cm의 높이로 4개를 설치하여 측정하였다. 연소시간 동안 질량감소속도와 화원 주변의 공기유입속도 변화는 매 1초 간격으로 측정하였으며, 이 모든 데이터는 data logger를 이용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 한 후 분석에 사용하였다.
질량감소속도는 0.01g의 분해능을 갖는 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 화원 주변의 공기유입속도 변화는 다점풍속측정기(Kanomax system 6242, multichannel anemomaster Model 1550)을 화원으로부터 35.35cm의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90cm의 높이로 4개를 설치하여 측정하였다. 연소시간 동안 질량감소속도와 화원 주변의 공기유입속도 변화는 매 1초 간격으로 측정하였으며, 이 모든 데이터는 data logger를 이용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 한 후 분석에 사용하였다.
0mm 두께의 스테인레스강으로 100mm × 100mm × 50mm 크기의 사각형 용기로 제작하여 사용하였다. 화점높이의 변화는 바닥면을 기준으로 0cm, 15cm, 30cm의 높이로 변화를 주었으며, 각 조건에서 3회 이상 반복 실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시료는 선행 연구자들에 의해 회오리 화염의 연소특성 연구에 자주 이용되고 있는 메탄올(methanol)과 노말 헵탄(n-Heptane)으로 국내 시판 중인 제품을 별도의 정제없이 사용하였다. 1회 실험 당시료의 양은 각각 100g을 기준으로 하였으며, 이를 부피로 환산하면 메탄올 128.
실험장치의 구성도는 Figure 1과 같으며 실험에 사용된 시료용기의 재질은 1.0mm 두께의 스테인레스강으로 100mm × 100mm × 50mm 크기의 사각형 용기로 제작하여 사용하였다.

성능/효과

3) 따라서 회오리 화염은 보기 드문 현상이지만 주위와 압력차로 인한 큰 흡입력과 양력을 가지고 있으므로 일반적인 화재에 비해 매우 파괴적이며, 화염길이의 증가로 인해 불티 등의 불씨가 멀리까지 전파되어 화재를 확대시키고, 연소속도가 증가하면서 높은 연소열로 인한 원활한 소화활동의 어려움 등으로 인해 인명 및 재산상의 큰 피해를 초래할 수 있다.^2,4)
결론적으로, 회오리 화염에서 질량감소속도와 외부에서 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이가 증가할수록 감소하며, 같은 실험조건에서 시료의 고위/저위 발열량이 높을수록 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 외부로 방출된 에너지는 복사, 대류 및 용기의 벽면을 통한 전도에 의한 연료로의 피드백이 증가하고 실험장치 내부의 공기 온도를 상승시켜 대류에 의한 상승기류가 형성되어 외부로부터 유입되는 공기의 량을 증가시켜 연료의 확산 연소속도를 가속화시키는 역할을 한다. 따라서 화점의 높이가 증가할수록 평균질량감소속도와 최대질량감소속도가 감소하는 현상은 화점의 높이가 증가할수록 외부로부터 화염으로의 공기 유입속도와 화염으로부터 방출되는 열에너지의 피드백 효과의 감소에 의한 것으로 판단된다.
외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이를 0cm에서 30cm로 변화시켰을 때, 0cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타냈으며, 동일한 화점의 높이에서는 다점 풍속기의 높이가 30cm인 경우에 가장 빠른 평균 공기 유입속도와 최대 공기유입속도를 나타내었다. 또한 메탄올과 노말 헵탄의 회오리 화염의 결과로부터 질량감소속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 1.33~1.58배, 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 4.38~5.44배 각각 빠름을 알 수 있었다.
Table 3~4와 Figure 5~8에 나타낸 바와 같이 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이를 0cm에서 30cm로 변화시켰을 때, 0cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타내었다. 또한, 동일한 화점의 높이에서는 다점풍속기의 높이가 30cm인 경우에 가장 빠른 평균 공기유입속도와 최대 공기유입속도를 나타냈으며, 다점풍속기의 높이가 증가할수록 공기유입속도가 감소함을 알 수 있었다.
76g/m²·sec로 최대값을 나타낸 후 화점높이가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이를 0cm에서 30cm로 변화시켰을 때, 0cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타냈으며, 동일한 화점의 높이에서는 다점 풍속기의 높이가 30cm인 경우에 가장 빠른 평균 공기 유입속도와 최대 공기유입속도를 나타내었다. 또한 메탄올과 노말 헵탄의 회오리 화염의 결과로부터 질량감소속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 1.
또한, 최대 공기유입속도는 메탄올의 경우 250mm/sec에서 140mm/sec로, 노말 헵탄의 경우 1360mm/sec에서 520mm/sec로 각각 감소하였다. 이 결과는 화점의 높이가 증가할수록 질량감소속도가 감소하는 경향과 일치 함을 알 수 있는데, 이는 질량감속도가 감소할 경우 화염으로부터 방출되는 열에너지의 량도 감소하게 되고 이에 따라 실험 장치내의 대류에 의한 상승기류의 발생 또한 감소하게 되어 외부로부터 유입되는 공기의 속도가 감소하게 된다는 것을 알 수 있다.
평균 질량감소속도에 있어서 화점의 높이가 0cm일때 메탄올의 경우 27.69g/m2·sec, 노말 헵탄의 경우 43.76g/m2·sec로 최대값을 나타낸 후 화점높이가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
평균질량감속도는 초기 각 연료의 연료량이 전부 연소되는데 걸린 시간으로부터 분석하였으며, 화점높이가 0cm일 때 메탄올의 경우 27.69g/m2·sec, 노말 헵탄의 경우 43.76g/m2·sec로 최대값을 나타낸 후 화점높이가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화점높이 변화에 따른 회오리 화염의 질량감소속도와 공기유입속도를 알아보기 위해 어떠한 연구를 진행하였으며, 그 결과는 무엇인가?	용기의 재질은 스테인레스로 100mm ${\times}$ 100mm ${\times}$ 50mm 크기의 사각형으로 제작하여 연소실험에 사용하였다. 외부로부터 화염으로 의 공기유입속도는 화점의 높이를 0cm에서 30cm로 변화시켰을 때, 0cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타냈으며, 동일한 화점의 높이에서는 다점풍속기의 높이가 30cm인 경우에 가장 빠른 평균 공기유입속도와 최대 공기유입속도를 나타내었다. 또한 메탄올과 노말 헵탄의 회오리 화염의 결과로부터 질량감소속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 1.33~1.58배, 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 4.38~5.44배 각각 빠름을 알 수 있었다. 결론적으로, 회오리 화염에서 질량감소속도와 외부에서 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이가 증가할수록 감소하며, 같은 실험조건에서 시료의 고위/저위 발열량이 높을수록 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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