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문제 정의
- 선행연구(6)에 이어서 본 연구에서는 동일한 화재실증실험(10)에서 수행된 환기부족화재를 대상으로 FDS의 검증을 시도하였다. 특히 화재 발생 이후 환기계통의 밸브가 잠기는 현실적인 원전 화재조건에서 FDS의 예측 정확도에 대한 문제점을 체계적으로 분석하였다.
- 원자력발전소 화재안전성 평가체계의 신뢰도 구축을 위한 FDS의 활용 및 검증을 위하여, 밀폐된 다중 구획에서 환기부족화재에 대한 환기구 경계조건의 정확도 및 소화모델의 적용 여부가 수치결과에 미치는 영향이 검토되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- (a)에서와 같이 5.0 m×6.0 m×4.0 m의 내부 체적을 갖는 2개의 구획과 0.8 m×2.1 m 크기의 개방문으로 연결되어 있는 DIVA 설비(11)에서 수행되었다.
- 구획 내부의 가스 및 벽면온도, 열유속(heat flux), 환기구의 체적유량 및 O2, CO, CO2, THC, soot을 포함한 화학종의 농도가 실시간 측정되었으며, 각 구획과 개방문, 환기구 등에서 총 289개의 측정이 이루어졌다. 따라서 다중 격실의 화재특성을 나타낼 수 있는 대표적인 물리량 및 측정 위치를 Figure 2에 표기하였으며, 본 논문에서 FDS 결과와 비교·검토하였다.
- 따라서 다중 격실의 화재특성을 나타낼 수 있는 대표적인 물리량 및 측정 위치를 Figure 2에 표기하였으며, 본 논문에서 FDS 결과와 비교·검토하였다.
- Figure 1(b)에서와 같이 DIVA 설비는 구획 내부의 공기 순환율 제어를 위하여 각 구획을 연결하는 덕트, 원격제어 밸브 및 환기구로 구성된 강제 환기 네트웍 시스템을 포함하고 있다. 본 실험조건에서는 밀폐된 구획에서 화재로 인한 열 및 연기의 전파특성을 검토하기 위하여, 각 구획의 급기 및 배기계통의 밸브를 차단하여 유입 및 배출 유량을 0 m3/h로 설정하였다. 그러나 점화단계의 과도한 압력상승과 소화단계의 급격한 압력감소로 인한 구획 내부의 화재특성 변화를 감쇠시키기 위하여 room 2의 배기밸브는 개방된 상태로 유지시켰다.
- 으로 설정되었다. 비록 실험에서는 원형 팬이 사용되었으나, FDS는 사각형 격자계(rectilinear grid system)만을 허용하기 때문에 동일 면적의 정사각형 화원으로 대체하였다. 계산에 적용된 격자크기의 선정은 동일 구획 및 유사한 실험조건에 대하여 선행연구(6)에서 체계적으로 이루어졌다.
- 특히 강제 환기시스템이 적용된 원전화재에서 급기 및 배기를 위한 환기구의 경계조건 설정 정확도가 구획 내부의 열 및 화학적 특성 예측에 매우 큰 영향을 주고 있음을 명확히 확인하였다. 위 연구의 결과는 FDS가 갖고 있는 본질적인 한계인 연소모델의 문제점(9)을 제외한 열 및 유동에 대한 전반적인 검증결과를 제공할 수 있는 매우 중요한 정보를 제공하였다.
- 이러한 배경 하에 본 연구진은 대표적 화재해석 모델인 FDS(Fire Dynamics Simulator)(5)를 이용하여 원전의 다중구획에서 과환기화재에 대한 FDS의 검증 연구(6)를 수행하였다. 수치결과는 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development)/NEA(Nuclear Energy Agency) 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)(7)를 통해 얻어진 실험결과(8)와의 비교를 통해 평가되었다.
- 에서 수행된 환기부족화재를 대상으로 FDS의 검증을 시도하였다. 특히 화재 발생 이후 환기계통의 밸브가 잠기는 현실적인 원전 화재조건에서 FDS의 예측 정확도에 대한 문제점을 체계적으로 분석하였다. 본 연구결과는 향후 원전 화재위험도 평가를 위한 FDS의 주요 입력변수들에 대한 민감도 및 불확실도 분석을 위한 기준 수치해로 제공될 수 있을 것으로 기대된다.
대상 데이터
- 1 m 크기의 개방문으로 연결되어 있는 DIVA 설비(11)에서 수행되었다. 각 구획의 벽, 바닥 및 천장은 0.3 m 두께의 철근 콘크리트로 구성되었다. 천장은 0.
- 연료로는 n-dodecane의 이성질체인 TPH(hydrogenated tetra-propylene, C12H26)가 사용되었다. 0.
데이터처리
- 를 수행하였다. 수치결과는 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development)/NEA(Nuclear Energy Agency) 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)(7)를 통해 얻어진 실험결과(8)와의 비교를 통해 평가되었다. 특히 강제 환기시스템이 적용된 원전화재에서 급기 및 배기를 위한 환기구의 경계조건 설정 정확도가 구획 내부의 열 및 화학적 특성 예측에 매우 큰 영향을 주고 있음을 명확히 확인하였다.
이론/모형
- 3, SVN 7031)(5)가 사용되었다. 아격자(subgrid) 모델로서 난류 유동에 대해서는 original Smagorinsky eddy 점성모델(12)이 사용되었다. 연소모델에 대해서는 소화 및 CO의 생성·소멸을 간략히 모사할 수 있도록 개선된 3단계 혼합분율모델(9)이 사용되었다.
- 연소모델에 대해서는 소화 및 CO의 생성·소멸을 간략히 모사할 수 있도록 개선된 3단계 혼합분율모델(9)이 사용되었다.
- 원전의 환기부족화재 실증실험을 수치모사하기 위하여 LES 기법이 적용된 FDS(ver. 5.5.3, SVN 7031)(5)가 사용되었다. 아격자(subgrid) 모델로서 난류 유동에 대해서는 original Smagorinsky eddy 점성모델(12)이 사용되었다.
성능/효과
- (1) 원전 유형의 밀폐된 다중구획에서 환기부족화재는 개방문으로 연결된 구획간의 상호작용을 통해 평균적인 유동구조 및 화염거동의 관점에서 개구부가 존재하는 단일구획의 과환기화재와 유사한 현상을 갖는다.
- (2) 점화 및 소화로 인한 구획 내부의 급격한 압력변동은 환기계통의 순간적인 공기 배출 및 유입을 동반할 수 있으며, FDS 수행 시 환기구의 정확한 경계조건의 설정여부는 구획 내부의 온도 및 열유속에는 큰 영향을 주지 않지만, 화학종 농도의 정확한 예측을 위해서는 매우 중요하게 고려되어야 한다.
- (3) FDS에 적용된 소화모델의 기본값의 적용으로 인하여 발생되는 인위적인 소화 및 재점화 현상은 환기부족화재의 지속시간 동안 매우 부정확한 온도, 열유속 및 농도 예측결과를 제공할 수 있다. 따라서 원전의 밀폐된 다중구획에서 환기부족화재의 모델링을 위해서는 가연물의 정확한 소화모델 입력정보가 고려되어야 함을 알 수 있다.
- Figs. 6~8에서 확인되었듯이, 실험에서는 최성기 이후 t=650 s 근처에서 불완전연소가 지속되며, t=995 s 근처에서는 소화현상이 점차적으로 진행되었다. 그러나 실제 환기조건이 적용된 FDS의 경우, t=650 s에서 급격한 온도 감소, 즉 소화현상이 발생되며, 이는 최성기 이후 감소된 산소농도로 인하여 소화모델의 소화기준에 도달되었기 때문이다.
- 먼저 Figure 11(a)에 제시된 O2의 실험결과를 살펴보면, 점화 이후 O2가 급격하게 감소되며, 소화현상이 발생되는 약 t=900 s 근처에서 최소값을 보인 후 점차적으로 증가된다. FDS의 예측결과를 살펴보면, 고정된 환기조건은 시간이 증가됨에 따라 실험결과와의 차이가 증가되며 소화시점에서는 약 20 %의 과대예측 결과를 보여주고 있다. 실제 환기조건과 소화모델 기본값이 적용된 경우, t=650 s까지 실험결과를 매우 잘 예측하고 있으나, 이후부터 고정된 환기조건과 유사한 경향을 보이고 있다.
- Figure 11(b)의 CO2를 살펴보면, 실험결과는 O2와 반대경향을 보이고 있으며, 소화시점을 기준으로 증가-감소되는 경향을 갖는다. 고정된 환기조건에서 예측결과는 점화 이후부터 실험결과와의 차이가 증가되어 최대 35 %의 과소예측 결과를 보이고 있다. 실제 환기조건과 소화모델 기본값이 적용된 경우, O2에서와 유사하게 t=650 s 이후에 과소 예측이 발생되어 고정된 환기조건과 유사한 경향을 나타낸다.
- 계산에 적용된 격자크기의 선정은 동일 구획 및 유사한 실험조건에 대하여 선행연구(6)에서 체계적으로 이루어졌다. 그 결과 0.1 m의 균일 격자계가 적용되었으며, 적용된 총 격자수는 254,400개로서 8개 CPU를 이용한 병렬계산에서 total CPU time은 12.7 h가 소요되었다.
- 위의 Figures 6~8을 통해 밀폐된 다중구획에서 환기부족화재의 온도 및 열유속을 포함한 열적특성에 대한 FDS의 예측성능은 소화모델에 포함된 산소 및 온도의 정확도에 매우 큰 영향을 받게됨을 알 수 있다. 그러나 과환기화재와는 다르게 반 밀폐된 환기부족화재에서 실제 환기조건의 고려 유무는 구획 내부의 열적특성에는 큰 영향을 주지 않는다는 중요한 정보를 얻을 수 있었다.
- 강제 환기가 적용된 과환기화재를 대상으로 FDS의 예측성능을 검토한 선행연구(6)에서는, 환기구 경계조건의 정확한 적용이 구획 내부의 온도를 보다 정확히 예측할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 그러나 본 연구에서 검토되는 환기부족화재에서는 오히려 최성기 이후에 측정 온도와 매우 큰 오차를 보이는 상반된 예측결과를 확인할 수 있다. 이러한 원인은 실제 환기조건에서 FDS에 적용된 소화모델의 O2 및 온도를 TPH 연료와 유사한 값(XO2=0.
- Figure 7(c)는 room 2의 바닥면에서의 온도를 도시한 것으로서, 모든 수치결과는 약 3 ℃ 이내의 과대예측 결과를 보이고 있다. 또한 실제 환기조건에서 소화모델 정보의 정확도에 따른 결과 비교를 통해 온도의 오차 범위가 매우 작음을 알 수 있다. 이 결과는 Figure 6에서 제시된 실제 환기조건의 오차 원인이 room 2에서 발생될 수 있다는 결론에 추가적인 정보를 제공하는 것으로서, 주요 원인이 바닥면 근처가 아닌 천장 근처임을 단계적으로 추론할 수 있다.
- Figure 11(c)에서 보는 바와 같이 고정된 환기조건은 시간에 따른 CO 변화를 비교적 잘 예측하고 있으나, 실제 환기조건과 소화모델 기본값이 적용된 조건은 t=650 s 이후에 급격히 증가되어 최대 100 %의 과대 예측되는 큰 차이를 나타내고 있다. 마지막으로 실제 환기조건과 수정된 소화모델 정보가 적용된 조건은 고정된 환기조건에 비해 보다 정확한 예측결과를 보여주고 있다. 즉, 실제 환기조건의 경우에 부정확한 소화모델의 정보제공은 초기에 매우 정확한 예측결과를 제공하지만, 소화한계가 적용되는 t=650 s 이후에는 상당한 문제점을 노출하고 있다.
- 133과 1507 ℃ 조건이 검토되었다(15). 비록 본 실험에 적용된 TPH의 정확한 정보가 입력되지 않았으나, TPH의 정보 부족 및 C5 계열 이상의 연료에서는 매우 유사한 소화 산소농도 및 온도를 갖고 있음을 고려할 때 매우 합리적 접근방법이라 사료된다. Figure 6(a)는 room 1에서 측정된 가스온도로서, 천장 근처의 3.
- Figure 7(a)는 room 1에서 벽면 높이에 따른 온도를 비교한 것이다. 실험결과를 기준으로, z=0.40 m에서는 환기조건의 설정 및 소화모델의 적용 여부와 상관없이 모든 수치결과가 실험결과를 적절히 예측하고 있다. 벽면의 높이가 증가함에 따라 고정된 환기조건은 실험결과를 과대 및 과소예측하고 있으나, 평균적으로 5 ℃의 범위에서 상당히 정확한 결과를 보여주고 있다.
- Room 1의 상층부에서는 O2 농도가 급격한 감소되는 two zone 구조를 확인할 수 있지만, room 2에서는 O2 수직분포에 큰 변화가 없으며, 시간 평균의 관점에서 room 2 내부에는 추가적인 반응이 발생되지 않음을 짐작할 수 있다. 위 결과로부터 개구부가 없는 밀폐된 원전구획에서 환기부족화재는 개구부가 존재하는 단일 구획의 과환기화재와 유사한 유동구조 및 화염거동을 갖게 됨을 확인할 수 있다.
- 위 결과로부터 원전 유형의 밀폐된 다중 구획에서 환기부족화재의 정확한 모델링을 위해서는 환기구의 경계조건 설정 및 소화모델의 입력정보에 대한 세심한 주의가 요구됨을 확인할수 있다. 구체적으로 구획 내부의 급격한 압력변동을 고려한 환기계통의 정확한 경계조건은 온도 및 열유속에는 큰 영향을 주지 않지만, 화학종 농도의 예측에는 매우 중요한 영향을 미치게 된다.
- 최성기 도달 이후의 시점인 t=470 s에는 구획 내부의 상대적 압력감소로 외부에서 구획 내부로 공기가 유입되는 일시적인 현상이 발생되며, 소화가 발생되는 900 s 근처에는 많은 양의 공기가 공급되고 있다. 위 실험결과로부터 밀폐된 구획에서 점화 및 소화현상으로 인한 room 1의 급격한 압력변동이 화재특성에 미치는 영향을 감쇠하기 위한 노력은 상당한 효과가 있었음을 확인할 수 있다. 그러나 room 2에서 발생된 부득이한 구획 내부의 총괄당량비 변화가 화재모델링의 예측 정확도에 미치는 영향에 대한 정량적 평가는 반듯이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 실제 환기조건 및 소화모델의 기본값이 적용된 FDS 결과는 Figures 6(a)와 (b)의 결과와 비교할 때 t=995 s에서 상대적으로 큰 온도증가 현상을 보여주고 있다. 이러한 현상은 결과적으로 FDS에 적용된 소화모델의 부정확한 정보에 의해 발생되었으며, 직접적인 원인이 배기구의 밸브가 개방된 room 2에서 시작되었음을 예측할 수 있다.
- 그림으로부터 보다 정확한 소화모델의 정보가 입력된 결과는 고정된 환기조건과 유사하게 실험결과를 잘 예측하고 있다. 이를 통해 실제 환기조건이 적용된 환기부족화재에서 FDS에 적용된 소화모델의 기본값 적용은 수치해의 오차를 오히려 증가된다는 중요한 결론을 얻을 수 있었다. 바닥 근처(z=0.
- 수치결과는 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development)/NEA(Nuclear Energy Agency) 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)(7)를 통해 얻어진 실험결과(8)와의 비교를 통해 평가되었다. 특히 강제 환기시스템이 적용된 원전화재에서 급기 및 배기를 위한 환기구의 경계조건 설정 정확도가 구획 내부의 열 및 화학적 특성 예측에 매우 큰 영향을 주고 있음을 명확히 확인하였다. 위 연구의 결과는 FDS가 갖고 있는 본질적인 한계인 연소모델의 문제점(9)을 제외한 열 및 유동에 대한 전반적인 검증결과를 제공할 수 있는 매우 중요한 정보를 제공하였다.
후속연구
- 따라서 원전화재에서 발생될 수 있는 다양한 화재조건에서 실증실험결과와 화재모델링 결과의 직접적인 비교·검토는 지속적인 화재모델링의 신뢰도 구축에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
- 즉 반응장이 동반된 복잡한 화재현상에 대한 수치모델링은 매우 다양한 물리 및 수치적 가정이 적용되며, 시간 및 공간에 대한 불연속적 차분을 통한 다양한 오차를 유발할 수 있다. 또한 정확한 화재모델링을 위해 요구되는 다양한 입력변수에 대한 정보 부족 및 검증을 위한 실험조건에 대한 이해도의 부족은 결과적으로 사용자의 의존성이 높은 모델링 결과를 제공할 수 있다. 따라서 원전화재에서 발생될 수 있는 다양한 화재조건에서 실증실험결과와 화재모델링 결과의 직접적인 비교·검토는 지속적인 화재모델링의 신뢰도 구축에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
- 특히 화재 발생 이후 환기계통의 밸브가 잠기는 현실적인 원전 화재조건에서 FDS의 예측 정확도에 대한 문제점을 체계적으로 분석하였다. 본 연구결과는 향후 원전 화재위험도 평가를 위한 FDS의 주요 입력변수들에 대한 민감도 및 불확실도 분석을 위한 기준 수치해로 제공될 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 원전의 밀폐된 다중구획에서 환기부족화재의 모델링을 위해서는 가연물의 정확한 소화모델 입력정보가 고려되어야 함을 알 수 있다. 본 연구결과는 향후 화재모델링의 수치 및 물리적 주요 입력변수들의 민감도 및 불확실도 평가를 위한 기준조건으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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