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문제 정의
- )를 고정한 조건에서, 수직 개구부의 형상 및 위치변화가 구획 내부의 화재특성에 미치는 독립적인 영향을 수치해석을 통해 검토하였다. 또한 비정상 및 다차원 유동구조 및 화염거동 분석을 통해 개구부 변화로 인한 구획 내부의 보다 상세한 화재현상 차이를 확인하고자 한다.
- 개구부의 조건에 따른 환기조건의 변화가 구획화재에 미치는 영향에 관한 선행연구는 크게 3가지로 분류될 수 있다. 첫째, 수직 및 천정 개구부의 존재 유무 및 면적 변화에 따른 구획화재의 특성에 관한 연구이다. Merci 등(3,4)은 실험 및 수치연구를 통해 천정 개구부의 면적변화에 따른 연기층의 평균 온도 및 높이 변화를 검토하였으며, Yii 등(1) 역시 천정 개구부의 면적이 증가함에 따라 수직 개구부를 통해 유입되는 공기량이 선형적으로 증가됨을 확인하였다.
제안 방법
- 이러한 배경 하에 개구부의 형상 및 위치변화가 구획 내부의 열 및 화학적특성 변화에 미치는 영향을 단계적으로 이해하기 위하여, 연료의 공급속도(연료의 질량소모율) 그리고 이론적 최대 공기 유입량을 예측할 수 있는 환기인자(#)를 고정한 조건에서, 수직 개구부의 형상 및 위치변화가 구획 내부의 화재특성에 미치는 독립적인 영향을 수치해석을 통해 검토하였다. 또한 비정상 및 다차원 유동구조 및 화염거동 분석을 통해 개구부 변화로 인한 구획 내부의 보다 상세한 화재현상 차이를 확인하고자 한다.
- 환기부족 구획화재에서 수직 개구부의 형상 및 위치변화에 따른 독립적인 화재특성 변화를 수치해석을 통해 검토하였다. 이를 위해 모든 조건에 환기인자와 연료의 질량소모율이 동일하게 설정되었다.
대상 데이터
- 16으로 환기부족화재에 해당된다. 구획 내부의 온도 및 농도를 측정하기 위하여 Figure 1에서와 같이 고온 상층부의 두 위치에서 온도와 O2, CO2, CO 및 THC(total hydrocarbon)들이 측정되었다. 모든 화학종에 대한 정보는 습기준(wet-basis)으로 변환되었다.
- 본 계산에 적용된 격자계는 민간도 분석(18)을 통해 평균 5.0 cm의 크기의 격자가 적용되었으며, 개구부의 유동 및 화염거동을 명확히 해석하기 위하여 개구부 근처에 1.25 cm 크기의 추가적인 미세격자가 삽입되어, 총 80만개 격자가 적용되었다.
- 2 m로 축소하였다. 연료로는 헵탄(C7H16)이 사용되었으며, 0.5 m2의 정사각형 버너(pan)가구획 바닥면 중앙에 설치되었다. 평균 발열량은 1480 kW이며, 구획 내부의 총괄당량비는 2.
이론/모형
- 6, SVN 1710)(10)가 사용되었다. FDS에서는 지배방정식의 차분을 위하여 공간에 대해서는 유한체적법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다. 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법(explicit) 예측-교정자법이 적용되었다.
- FDS에서는 지배방정식의 차분을 위하여 공간에 대해서는 유한체적법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다. 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법(explicit) 예측-교정자법이 적용되었다. 또한 열유속(#)은 복사열전달 방정식의 유한체적법(11)을 통해 고려되었다.
- 환기조건에 따른 화재현상을 수치모사하기 위해 LES(Large Eddy Simulation)의 수행이 가능한 FDS(ver. 5.1.6, SVN 1710)(10)가 사용되었다. FDS에서는 지배방정식의 차분을 위하여 공간에 대해서는 유한체적법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다.
성능/효과
- (1) 출입문 형상변화를 통한 종횡비의 감소는 공기 유입량 및 개구부 속도장의 변화로 구획 내부의 온도 감소, 불완전연소 증가 및 화염길이의 감소를 발생시키지만, 구획 내부의 유동구조 및 화재지속시간에는 큰 영향을 주지 않는다.
- (2) 창문의 위치가 높을수록 개구부 근처의 속도는 증가되며, 공기 유입량의 증가로 화염온도 역시 증가한다. 또한 구획 내부의 재순환 유동구조의 변화를 초래하여 연료 및 공기의 낮은 혼합도에 의해 보다 오랜 화재지속시간을 갖게 된다.
- (3) 외부 공기의 유입구 및 연소생성물의 배출구가 분리된 개구부의 조건은 동일한 연료 공급량 및 환기인자에도 불구하고 일반적인 수직 개구부를 갖는 구획화재와 매우 다른 화재특성을 갖는다. 물론 본 연구에 적용된 조건은 기존의 환기인자의 적용에 상당한 문제점이 존재하며, 향후 수직 개부구의 중성대 높이에 따라 정량적으로 분리된 다중 개구부의 영향이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
- 특히 개구부 근처의 낮은 유속의 경계층에서 분자확산에 의한 혼합은 더욱 많은 양의 연소생성물을 구획 내부로 다시 유입시키는 결과를 초래할 수 있다. 결과적으로 W08L은 다른 출입문 형상변화 조건에 비해 화염면 근처의 낮은 농도의 O2가 전달되며, 이로 인하여 화염온도는 상대적으로 가장 낮은 값을 갖게 된다. 위 분석결과에 대한 보완은 Figure 6(c)에서 W08L의 상대적으로 높은 CO의 양을 통해서도 이루어질 수 있다.
- W08H의 경우 천장 근처에 개구부가 존재하며, 이는 배출되는 연소생성물이 상대적으로 높은 화재실의 온도로 인해 더욱 큰 부력효과를 갖을 수 있다. 결과적으로 W08M에 비해 높은 배출 속도를 갖으며, 질량보전의 관점에서 더욱 많은 양의 공기가 구획 내부로 유입하게 된다. 그러나 이러한 논리는 가장 큰 배출 및 유입속도를 갖는 W08L의 결과에 적용될 수 없음을 Table 1을 통해 확인될 수 있다.
- 이러한 유동구조 및 화염거동은 비교적 높은 발열량의 과환기화재에서 발생되는 현상과 매우 유사한 경향을 갖는다(13). 결과적으로 구획 내부로 유입되는 공기 및 배출되는 연소생성물의 질량유량의 측정 편의를 위하여 많은 연구자들에 의해 적용(16,17)되는 W08D의 조건은 동일한 연료의 질량소모율과 환기인자의 조건에서 출입문 및 창문과 같은 일반적인 수직 개구부가 적용된 환기부족 구획화재의 특성과는 매우 상이한 결과가 발생될 수 있음을 본 연구를 통해 확인할 수 있다.
- 그림에 이론적 최대 공기유입을 결정하는 #의 값이 기준선으로 표기되었다. 그 결과 출입문의 형상변화에 의한 조건들은 이론 값에 근접한 반면에, 창문의 위치변화 조건들은 이론값을 기준으로 보다 큰 오차를 유발하고 있음을 알 수 있다. 또한 분리된 개구부가 적용된 W08D의 경우 이론적 환기변수의 적용에 큰 문제가 있다는 중요한 정보를 확인할 수 있다.
- 이러한 결과들은 출입문 및 창문의 조건들이 모두 충분한 환기 부족화재에 해당됨을 재확인해줄 수 있는 근거이다. 마지막으로 W08D는 W08M 및 W08H와 유사한 값을 갖지만, 출입구 형상변화의 조건에 비해 470 s에서 O2가 급격하게 증가되는 것을 볼 수 있다. 즉, Figure 4에서도 언급되었듯이 W08D는 가장 짧은 화재지속시간을 갖게 된다.
- 창문의 위치변화에 따른 결과 역시 W08L>W08H>W08M의 순서를 갖으며, 최대 차이는 약 50 kW/m2이다. 마지막으로 W08D는 다른 조건에 비해 가장 높은 열유속을 갖으며, 예측된 W02L의 결과에 비해 약 150 % 이상의 높은 열유속을 갖는다. 바닥면에서의 열유속(Figure 5(b)) 역시 개구부의 조건변화에 따라 천정에서의 결과와 유사한 경향을 보이고 있다.
- 먼저 이론 혼합분율에 의해 표현될 수 있는 이론 화염면의 길이를 살펴보면, 개구부의 종횡비가 감소되는 W02L→W08L로 변화됨에 따라 화염길이는 점차적으로 감소되는 현상을 확인할 수 있다.
- 출입문의 형상변화(즉, 폭과 높이의 비를 나타내는 종횡비의 변화)가 고려된 W02L, W04L, W06L 및 W08L의 결과를 비교할 때, 종횡비가 감소되는 W02L→W08L의 변화에 따라 초기 점화 및 성장단계를 제외하고 점차적으로 감소되는 결과를 볼 수 있다.
후속연구
- (3) 외부 공기의 유입구 및 연소생성물의 배출구가 분리된 개구부의 조건은 동일한 연료 공급량 및 환기인자에도 불구하고 일반적인 수직 개구부를 갖는 구획화재와 매우 다른 화재특성을 갖는다. 물론 본 연구에 적용된 조건은 기존의 환기인자의 적용에 상당한 문제점이 존재하며, 향후 수직 개부구의 중성대 높이에 따라 정량적으로 분리된 다중 개구부의 영향이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
- 주목할 만한 내용으로서 출입문 및 창문의 형상을 갖는 개구부 조건에서는 평균적으로 고온 상층부의 앞부분이 뒷부분에 비해 높은 온도를 갖는 반면에 W08D는 뒷부분이 오히려 높은 온도를 갖는다는 것이다. 이러한 현상은 구획 내부의 주요 반응이 발생되는 위치(화염 위치) 및 유동패턴에 의해 해석(19)될 수 있으며, 이후 다차원 분석결과를 통해 제시될 예정이다.
- 흥미로운 사실은 W08H가 W08M에 비해 더욱 높은 온도에도 불구하고 더욱 오랜 시간동안 화재가 지속된다는 것이다. 이에 대한 보다 상세한 원인은 화학종의 농도, 구획 내부의 유동구조 및 화염거동을 통해 분석될 예정이다. 마지막으로 공기의 유입구 및 고온 연소생성물의 배출구가 분리된 W08D의 경우, 모든 조건 중 가장 높은 온도를 갖으며, 실험조건(또는 W02L 조건)에 비해 평균적으로 21 % 상승된 온도값을 보여주고 있다.
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