[논문]구획화재의 출입구를 통한 광학적 연기밀도 측정의 불확실성 해석

김성찬

doi:10.7731/kifse.2013.27.2.075

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본 연구는 구획화재의 출입구를 통한 연기밀도를 정량적으로 측정하고 측정기법의 신뢰성을 평가하기 위해 불확실성 해석을 수행한다. 메탄 화재 강도에 따른 축소모형 구획공간의 출입구 상층부를 통해 유출되는 연기 유동에 대해 광소멸 측정을 수행하고 Bouguer's의 법칙을 적용하여 연기밀도를 산정하였다. 광투과율, 경로길이, 질량비광소멸상수에 대하여 연기밀도의 측정 불확실도를 평가하였으며 계산된 연기밀도 측정의 확장불확실도는 20% 정도이며 신뢰수준은 95% 이다. 준정상상태의 화재 발열량에 대하여 출입구에서의 평균 연기밀도를 산정하였으며 구획공간내부의 총괄당량비 증가에 따라 출입구의 연기농도가 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.

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The present study measured the light transmission to quantify the smoke density(smoke mass concentration) through the doorway in a compartment fire and performed the uncertainty analysis to evaluate the reliability of the measurement technique. The optical light extinction method based on Bourguer's...

The present study measured the light transmission to quantify the smoke density(smoke mass concentration) through the doorway in a compartment fire and performed the uncertainty analysis to evaluate the reliability of the measurement technique. The optical light extinction method based on Bourguer's law was applied to estimate the smoke density of doorway exhausting smoke flow in upper layer of a compartment for methane gas fires. The measurement uncertainty of the light extinction measurement was evaluated for the light transmittance, path length, and specific mass extinction coefficient and the expanded uncertainty was estimated about 20% with confidence level of 95%. The mean smoke density through the doorway for the methane fire was calculated for quasi-steady fire and the smoke density linearly increased as the GER increased.

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문제 정의

본 연구에서는 Bouguer’s 법칙을 적용한 광소멸법을 통해 구획공간의 출입구로부터 유출되는 연기밀도를 실시간으로 측정하였으며 측정기법의 신뢰성을 파악하기 위해 광투과율, 광경로길이, 질량비 광소멸상수 등에 대한 측정 불확실성을 평가한다. 정량화된 신뢰성을 가진 연기측정기법을 바탕으로 화재강도에 따른 구획공간 출입구에서의 연기밀도를 측정하여 구획화재 특성을 이해할 뿐만 아니라 화재측정기법을 향상시키는데 기여하고자 한다.
본 연구에서는 Bouguer’s 법칙을 적용한 광소멸법을 통해 구획공간의 출입구로부터 유출되는 연기밀도를 실시간으로 측정하였으며 측정기법의 신뢰성을 파악하기 위해 광투과율, 광경로길이, 질량비 광소멸상수 등에 대한 측정 불확실성을 평가한다. 정량화된 신뢰성을 가진 연기측정기법을 바탕으로 화재강도에 따른 구획공간 출입구에서의 연기밀도를 측정하여 구획화재 특성을 이해할 뿐만 아니라 화재측정기법을 향상시키는데 기여하고자 한다.

제안 방법

본 연구는 광소멸법을 적용하여 구획공간의 출입구로부터 유출되는 연기밀도를 실시간으로 측정하고 불확실도 분석을 통해 광투과율, 광경로길이, 질량비 광소멸상수등의 인자에 대한 측정불확실성을 정량화하였다. 정량화된 연기측정기법을 바탕으로 메탄화재의 환기상태에 따른 구획공간 출입구에서의 연기밀도를 평가하였다.
본 연구는 광소멸법을 적용하여 구획공간의 출입구로부터 유출되는 연기밀도를 실시간으로 측정하고 불확실도 분석을 통해 광투과율, 광경로길이, 질량비 광소멸상수등의 인자에 대한 측정불확실성을 정량화하였다. 정량화된 연기측정기법을 바탕으로 메탄화재의 환기상태에 따른 구획공간 출입구에서의 연기밀도를 평가하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약된다.

대상 데이터

화재실험은 ISO-9795 표준화재실의 40 % 축소된 모형 공간(1.46 m×0.98 m×0.98 m)에서 수행되었으며 출입구의 폭은 0.48 m, 높이는 0.81 m이다. 화원은 각 변의 길이가 13 cm인 메탄 가스버너를 이용하였으며 화재강도는 MFC를 통해 공급되는 가스유량을 제어하여 설정된다.

이론/모형

투과율 계측에 의한 연기밀도는 Bouguer’s 법칙에 기초하여 산정된다. 연기밀도(ms)는 연기가 없는 상태에서 투과된 광원의 기준강도(Io)에 대한 광경로길이(L)인 연기층을 투과한 광원의 강도비로써 다음과 같은 관계를 가진다⁽²⁾.

성능/효과

1) 구획공간의 연기밀도를 측정하는데 있어 실험오차를 최소화하고 측정인자들의 영향을 구분하기 위한 실험장치를 구성하였으며 Bouguer’s 법칙을 적용한 연기밀도측정의 정확도는 95 % 신뢰수준에 대해 20 % 정도의 확장불확실도를 갖는 것으로 나타났다.
2) 본 연구에서 측정불확실도에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 광경로길이에 기인하는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구의 질량비 광소멸상수는 Mulholand와 Croakin의 연구결과⁽⁴⁾에 따른 값을 적용하였으나 질량비 광소멸상수는 연료 종류 및 연소조건에 따라 영향을 받기 때문에 상대불확실도는 증가할 수 있다⁽³⁾.
3) 당량비가 1.6 이하인 메탄화재에 대해 당량비가 증가함에 따라 출입구에서의 연기밀도는 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 준정상상태의 화재에 대한 평균연기밀도의 상대표준편차는 출입구를 통한 화염의 출화여부에 따라 큰 차이를 보였다. 연기밀도의 평균값에 대한 상대표준편차는 환기상태에 따라 10~25 % 정도로 나타났다.
따라서 본 연구에 적용된 광소멸 측정법의 확장불확실도는 20 % 정도이며 95 % 신뢰수준을 가진다.
6 이하인 메탄화재에 대해 당량비가 증가함에 따라 출입구에서의 연기밀도는 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 준정상상태의 화재에 대한 평균연기밀도의 상대표준편차는 출입구를 통한 화염의 출화여부에 따라 큰 차이를 보였다. 연기밀도의 평균값에 대한 상대표준편차는 환기상태에 따라 10~25 % 정도로 나타났다.

후속연구

그러나 본 연구의 질량비 광소멸상수는 Mulholand와 Croakin의 연구결과⁽⁴⁾에 따른 값을 적용하였으나 질량비 광소멸상수는 연료 종류 및 연소조건에 따라 영향을 받기 때문에 상대불확실도는 증가할 수 있다⁽³⁾. 그러나 질량비 광소멸상수의 불확실도에 대한 내용은 본 연구의 범위를 벗어나는 부분이며 향후 이에 대한 추가적인 연구를 필요로 한다.
연구는 화재측정기법의 측정불확실도를 정량화하여 측정의 신뢰성을 확보하는데 기여할 뿐만 아니라 측정기법을 개선하기 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

참고문헌 (11)

M. Y. Choi, G. W. Mulholand, A. Hamins and T. Kashiwagi, "Comparison of the Soot Volume Fraction using Gravimetric and Light Extinction Technique", Combustion and Flame, Vol. 102, No. 1-2, pp. 161-169 (1995).

상세보기
G. W. Mulholand, E. L. Johnsson, M. G. Fernandez and D. A. Shear, "Design and Testing of a New Cmoke Concentration Meter", Fire and Materials, Vol. 24, No. 5, pp. 231-243 (2000).
J. F. Widmann, J. Duchez, J. C. Yang, J. M. Conny and G. W. Mulholand, "Measurement of Optical Extinction Coefficient of Combustion Generated Aerosol", Journal of Aerosol Science, Vol. 36, No. 2, pp. 283-289 (2005).

상세보기
G. W. Mulholand and C. Croakin, "Specific Extinction Coefficient Flame Generated Smoke", Fire and Materials, Vol. 24, No. 5, pp. 227-230 (2000).
B. W. Shin, Y. H. Song, D. H. Rie and K. S. Chung, "A Study on the Analysis of Smoke Density Characteristics for Wood-Plastic Composites", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 25, No. 3, pp. 119-124 (2011).
S. Y. Park, W. S. Lee, H, S. Yeo and H. S. Im, "The Experimental Study for the Smoke Optical Density and Toxic Gases of Sandwich Panel Insulation(Single Chamber Method)", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 20, No. 4, pp. 26-31 (2006).
B. I. Choi, Y. S. Han and M. B. Kim, "Heat Release Rate Measurements of Residential Combustibles Using Oxygen Consumption Method", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 22, No. 2, pp. 104-107 (2008).
B. N. Taylor and C. E. Kuyatt, "Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results", NIST Technical Note 1297 (1994).
S. Bell, "A Beginner's Guide to Uncertainty of Measurement", Measurement Good Practice Guide No. 11-2, National Physical Lab. (2001).
T. M. Kegel, "Basic Measurement Uncertainty", 71th International School of Hydrocarbon Measurement, pp. 1-5 (1996).
W. M. Pitts, "The Global Equivalent Ratio Concept and the Formmation Mechanism of Carbon-Monxide in Enclosure Fire", Progress in ENergy and Combustion Science, Vol. 21, No. 3, pp. 197-237 (1995).

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