[논문]반밀폐된 ISO 9705 화재실에서 비정상 화재특성 예측을 위한 FDS의 성능평가

문선여; 황철홍

doi:10.7731/kifse.2012.26.3.021

반밀폐된 ISO 9705 화재실에서 비정상 화재특성 예측을 위한 FDS의 성능평가
Performance Evaluation of FDS for Predicting the Unsteady Fire Characteristics in a Semi-Closed ISO 9705 Room 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.26 no.3, 2012년, pp.21 - 28

초록
AI-Helper

비정상(unsteady) 화재성장이 발생되는 반밀폐된 구획에서 환기부족화재의 열 및 화학적 특성에 관한 FDS(Fire Dynamics Simulator)의 예측성능 평가가 수행되었다. 이를 위해 실규모 ISO 9705 표준 화재실의 출입구 폭이 0.1 m로 축소되었으며, spray 노즐을 통해 Heptane 연료유량은 선형적으로 증가되었다. 수치계산에 대한 신뢰도 확보를 위하여 동일 조건에서 수행된 실험결과와의 상세한 비교가 이루어졌다. 적절한 격자계를 이용한 FDS의 결과는 구획 내부의 온도 및 열유속(heat flux)은 비교적 잘 예측하지만, 비정상 CO 및 $CO_2$ 생성특성은 적절히 예측하지 못함을 확인하였다. 이러한 결과는 최근 수행된 유사조건의 정상상태 환기부족 구획화재에 대한 FDS 예측결과와 상반된 것으로서, 반밀폐된 구획화재 모델링에서 FDS를 이용한 비정상 CO 생성특성 예측에 상당한 주위가 요구됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to evaluate the prediction accuracy of FDS(Fire Dynamic Simulator) for the thermal and chemical characteristics of under-ventilated fire with unsteady fire growth in a semi-closed compartment. To this end, a standard doorway width of the full-scale ISO 9705 room was modified to 0.1 m and the flow rate of heptane fuel was increased linearly with time (until maximum 2.0 MW based on ideal heat release rate) using a spray nozzle located at the center of enclosure. To verify the capability of FDS, the predicted results were compared with a previous experimental data under the identical fire conditions. It was observed that with an appropriate grid system, the numerically predicted temperature and heat flux inside the compartment showed reasonable agreement with the experimental data. On the other hand, there were considerable limitations to predict accurately the unsteady behaviors of CO and $CO_2$ concentration under the condition of continuous fire growth. These results leaded to a discrepancy between the present evaluation of FDS and the previous evaluation conducted for steady-state under-ventilated fires. It was important to note that the prediction of transient CO production characteristics using FDS was approached carefully for the under-ventilated fire in a semi-closed compartment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 배경 하에 본 연구에서는 비정상 화재성장이 발생되는 반밀폐된 구획에서 환기부족화재의 열 및 화학적 특성에 관한 FDS의 예측성능 평가를 수행하였다. 이를 위해 수치해석 결과는 동일 조건에서 수행된 선행 실험결과와 직접적으로 비교·검토되었다.

제안 방법

출입구의 폭이 0.1 m로 수정된 반밀폐된 ISO 9705 표준화재실에서 비정상 화재성장을 갖는 구획화재의 열 및 화학적특성에 관한 FDS의 성능 평가가 수행되었다. 주요 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

실규모 구획화재 실험을 위하여 Figure 2와 같이 2.4 m×2.4 m×3.6 m의 크기를 갖는 ISO 9705 표준화재실이 제작되었다. 표준화재실의 출입구는 0.
1 m로 수정되었다. 연료로는 헵탄(C₇H₁₆) 이 선택되었으며, 연료량 제어를 위하여 분무(spray) 노즐과 팬(pan)으로 구성된 화원이 사용되었다. 0.

이론/모형

지배방정식의 차분을 위하여 공간에 대해서는 유한체적 법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다. 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법(explicit) 예측-교정자법이 적용되었다. 또한 열유속(#)은 복사열전달 방정식의 유한체적법¹⁵⁾을 통해 고려되었다.
지배방정식의 차분을 위하여 공간에 대해서는 유한체적 법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다. 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법(explicit) 예측-교정자법이 적용되었다.

성능/효과

(1) 반밀폐된 구획화재의 정확한 LES의 수행을 위한 격자 크기의 설정은 특성 화염직경에 의한 방법과 더불어 작은 체적의 출입구 근처 난류 유동을 적절히 해상할 수 있도록 결정되어야 하며, 격자의 최소크기는 플럼 영역이 아닌 출입구 영역에 의해 제한됨을 확인하였다.
(2) 적절한 격자계를 이용한 FDS의 결과는 구획 내부의 온도 및 열유속은 비교적 잘 예측하지만, 반밀폐된 구획 내부에서 복잡한 chemical kinetics 효과를 동반하는 CO₂및 CO의 비정상 생성특성을 적절히 고려하지 못함을 확인하였다.
이러한 결과는 총괄당량비 개념을 이용한 실험분석 결과를 통해 재확인되었다⁽¹⁾. 결과적으로 혼합분율과 화학종 질량분율 사이의 상관관계를 통해 화학종의 농도를 예측하는 FDS는 반밀폐된 구획 내부에서 복잡한 chemical kinetics 효과를 동반하는 CO₂ 및 CO의 비정상 생성특성을 적절히 고려하지 못함을 확인할 수 있다.

후속연구

(3) 마지막으로 정상화재의 FDS 검증에 관한 기존 연구와는 다르게, 반밀폐된 구획에서 비정상화재의 열 및 화학적특성에 관한 FDS의 예측성능 검토는 화재모델링을 이용한 성능위주 소방설계의 신뢰도 평가 기준으로 활용될수 있을 것으로 기대된다.
수치해의 결과를 해석하는 과정에서 과도한 섭동은 다소 큰 격자의 크기 및 이로 인한 시간 전진간격(time marching step)의 증가로 인해 발생될 수 있다. 즉, 82만개의 격자계 역시 다소 부족한 격자수라 판단되며, 향후 보다 많은 격자를 이용한 추가 검증이 필요할 것으로 사료된다. 그러나 수치해의 정확도와 계산비용(시간)의 적절한 균형을 고려할 때, 현재의 접근방법은 비정상 화재특성 예측을 위한 FDS 성능평가에 관한 본 연구의 목적을 구현하는데 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.

참고문헌 (19)

C. H. Hwang, "Effects of Change in Heat Release Rate on Unsteady Fire Characteristics in a Semi-closed Compartment", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 26, No. 2, pp. 75-83 (2012).

원문보기 상세보기
M. Bundy, A. Hamins, E. L. Johnsson, S. C. Kim, G. H. Ko and D. Lenhert, "Measurement of Heat and Combustion Products in Reduced- scale Ventilation-limited Compartment Fires", NIST Technical Note 1483, NIST, Gaithersburg, MD (2007).
C. H. Hwang, A. Lock, M. Bundy, E. Johnsson and G. H. Ko, "Effects of Fuel Location and Distribution on Full-scale Underventilated Com- partment Fires", Journal of Fire Science, Vol. 29, pp. 21-52 (2011).

상세보기
A. Lock, M. Bundy, E. L. Johnsson, A. Hamins, G. H. Ko, C. H. Hwang, P. Fuss and R. Harris, "Experimental Study of the Effects of Fuel Type, Fuel Distribution and Vent Size on Full-scale Underventilated Compartment Fires in an ISO 9705 Room", NIST TN 1603, NIST, Gaithersburg, MD (2008).
K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd, H. Baum and R. Rehm, "Fire Dynamic Simulator (Version 5): Technical Reference Guide", NIST SP 1018-5, NIST, Gaithersburg, MD (2007).
C. H. Hwang, "Large Eddy Simulation of Turbulent Premixed Flames in a Practical Combustor", Ph.D. Dissertation, Inha University (2006).
J. E. Floyd and K. B. McGrattan, "Extending the Mixture Fraction Concept to Address Under-Ventilated Fires", Fire Safety Journal, Vol. 44, pp. 291-300 (2009).

상세보기
C. H. Hwang, C. H. Park, G. H. Ko and A. Lock, "Effects of Ventilation Condition on the Fire Characteristics in Compartment Fires (Part I: Performance Estimation of FDS)", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 24, No. 3, pp. 131-138 (2010).
A. Y. Snegirev, G. M. Makhviladze, V. A. Talalov and A. V. Shamshin, "Turbulent Diffusion Combustion under Conditions of Limited Ventilation: Flame Projection through an Opening", Combustion, Explosion, & Shock Waves, Vol. 39, No. 1, pp. 1-10 (2003).
G. M. Makhviladze, A. V. Shamshin, S. E. Yakush and A. P. Zykov, "Experimental and Numerical Study of Transient Compartment Fires", Combustion, Explosion, & Shock Waves, Vol. 42, No. 6, pp. 723-730 (2006).

상세보기
A. Chen, J. Francis, X. Dong and W. Chen, "An Experimental Study of the Rate of Gas Temperature Rise in Enclosure Fires", Fire Safety Journal, Vol. 46, pp. 397-405 (2011).

상세보기
C. H. Hwang, A. Lock, M. Bundy, E. Johnsson and G. H. Ko, "Studies on Fire Characteristics in Over- and Underventilated Full-Scale Compartments", Journal of Fire Science, Vol. 28, pp. 459-486 (2010).

상세보기
W. Mell, A. Maranghides, R. McDermott and S. L. Manzello, "Numerical Simulation and Experiments of Burning Douglas Fir Trees", Combustion and Flame, Vol. 156, pp. 2023-2041 (2009).

상세보기
J. Smagorinsky, "General Circulation Experiments with the Primitive Equations", Monthly Weather Review, Vol. 91, No. 3, pp. 99-164 (1963).
G. D. Raithby and E. H. Chui, "A Finite-Volume Method for Predicting Radiant Heat Transfer in Enclosures with Participating Media", Journal of Heat Transfer, Vol. 112, No. 2, pp. 415-423 (1990).

상세보기
K. McGrattan, "Verification & Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications, Volume 7: Fire Dynamic Simulator (FDS)", Finial Report NUREG-1824, EPRI 1011999 (2007).
S. B. Pope, "Turbulent Flows", Cambridge University Press (2000).
A. Bounagui, N. Benichou, C. McCartney and A. Kashef, "Optimizing the Grid Size Used in CFD Simulations to Evaluate Fire Safety in Houses", In: 3rd NRC Symposium on Computational Fluid Dynamics, High Performance Computing and Virtual Reality, Ottawa (2003).
K. McGrattan, J. Floyd, G. Forney, H. Baum and S. Hostikka, "Improved Radiation and Combustion Routines for a Large Eddy Simulation Fire Model", In: Fire Safety Science-Proceedings of the Seventh International Symposium, Worcester, MA, pp. 827-838 (2003).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증