[논문]시험연구 - 침대 매트리스의 대류 열유속 공간내 영항분석을 통한 역방향 화염확산 매키니즘

박계원

문제 정의

(5) 화염전파란, 연소분야(reaction-to-fire) 에서 다뤄지는 모든 화재현상들이 집결되어 정성적 및 가시적으로 나타나는 중요한 화재현상으로서, 본 연구에서는침대 매트리스에서 발생되는 수평 화염전파 성상을 파악하기 위한 실험연구가 진행되었고, 수평 화염전파 속도를 정량화시키기 위한 분석이 수행되었다. 본 연구는여러 레이어로 구성된 복합 가연물 및 철제 스프링으로이뤄진 실물규모 침대 매트리스라는 복잡한 연소 물체에 대해서 화재시의 화염전파를 정량적으로 분석한 자체로서도 중요한 의미를 가질 수 있으나 향후 침대 매트리스가 구획 공간내부의 가연물 배치상황에 따라 상호작용하는 연소 성상을 규명할 경우 더욱 실질적인 화염전파 매커니즘을 분석할 수 있을 것으로 예상된다.
화재평가가 수행되었고. 여기서 HRR 및 온도 등의측정인자들을 바탕으로 매트리스 표면의 열확산 알고리즘을 분석하였으며, 최종적으로 침대 매트리스에 대한화염확산 현상을 수평 화염전파 수식 매커니즘에 적용하여 측정값과 계산값 간의 상관 분석이 수행되어 가연성 침대 매트리스의 화재 위험성을 경감시킬 수 있는 방안을 고찰해보고자 한다.

가설 설정

(4) 본 연구에서는 침대 매트리스 내부의 화염확산을구형(sphere shape) 열복사 및 수직 평판 대류 모델로가정하였으며, 이에 따른 열복사 및 열대류 합성을 시도하였고 식(6)와 같이 제안하였다. 열복사 및 열대류를합성하여 회-염전파를 산출한 모델식이 실제 시험체에적용한 시도 사례는 현재까지 미미한 상태이기에 본 연구의 제안식이 갖는 의미는 매우 크다고 할 수 있으나, 향후 이 모델식은 좀 더 다양한 재료에 적용되어 다각적인 화재 시나리오에서 검증되어야 그 타당성이 높아질것으로 판단된다.
연소면과 화염사이에는 틈(gap)이 없는 것으로 가정하며 이때형상계수(configuration factor)는 화염내부 범위에서의복사 열전달을 모사하므로 그 값이 1로 설정되어지고, 화염의 상부와 하부에서의 복사열의 차이는 상대적으로 크지 않으며 화염의 성상은 침대 매트리스 내부 및 측면의연소성 상 관찰결과 구형 (sphere shape)으로 전제되 었다. 따라서 화염의 평균 행로길이는 Lm=0.
11과 같이 고려되어졌다. 연소성상은 Fig. 11에서와 같이, 설정되어진 중심으로부터 화염이 방사형으로전파되어짐에 따라 반원형 및 직사각형 연소면적을 가지는 것으로 가정되었으며, 두 형태의 합산면적을 매트리스 상단표면의 총 언소면적으로 가정하였다. 연소면적과 같은 크기를 가지는 임의의 원을 가정할 경우에 도출되는 직경(D), 무차원 열방출율 변수인 HRR(Q*), 평균 화염높이 (Lc) 등은 식⑴과 식⑵에서 산출(이때 r=3.

제안 방법

Table 2와 같이 실험시 HRR, THR(Total Heat Release), 비디오 카메라 기록(초당 30프레임의 기록영상 분석)에 의한 화염높이 및 화염전파 속도가 측정되어졌으며 이를 통해 서로 다른 침대매트리스 설치 높이에대한 비교분석이 수행되어졌다. 특히, 침대 매트리스 상단표면에는 10 cm 간격의 수직 및 수평 격자 라인을 그려놓고 영상분석을 통해 경과 시간에 따른 화염확산 속도를 측정하였고 수직 막대자를 reference measurement로 활용하여 화염의 높이를 영상분석 하였다.
난연성이 없는 국산 침대 매트리스를 시편으로 하여 ISO 12949에 의한 화재 시험이 5번 반복되어졌으며, 이때산소소모율 감소이론 (Barbrauskas and Grayson, 1992) 에 근거하여, 5mx5m 규모의 정사각형 3MW급 열량계 (open-calorimeter)후드 아래에서 시험이 수행되었다.
Zukoski가제안한 평균 화염높이는 측정되어진 연소직경(burning diameter)과 산출된 HRR값이 있어야 계산될 수 있다. 이를 위해 3MW open calorimeter(최대 3MW까지의 HRR을 측정 가능한 산소소모율 원리에 다른 열량계)를사용하여 HRR을 산출하였고, 비디오 카메라 등의 기록을 통해 연소직경을 측정하고 연소면적의 중심부를 설정하였다. 매트리스의 단축 방향(short side)은 매트리스 가장자리에서부터 150 mm를 중 심으로 잡았고, 장축 방향(long side)는 매트리스 가장자리에서부터 980 mm를 연소반경의 중심으로 설정하였고 연소 성상은
이를 위해서 침대 매트리스의 설치 높이(0mm, 115mm, 215mm, 315mm, 515mm)에 따른 연소 거동을 분석하였으며, 연소반경과 화염의 높이 추정을 통해화염확산 속도를 도출하였고 화염확산 속도에 영향을미치는 복사열유속과 대류열유속의 기여정도를 분석하였다.
비교분석이 수행되어졌다. 특히, 침대 매트리스 상단표면에는 10 cm 간격의 수직 및 수평 격자 라인을 그려놓고 영상분석을 통해 경과 시간에 따른 화염확산 속도를 측정하였고 수직 막대자를 reference measurement로 활용하여 화염의 높이를 영상분석 하였다.
화염전파는 크게 바람의 방향 및 부재의 방향에 따라적용되는 알고리즘이 다양하나, 본 연구에서는 침대가수평하게 놓여 있으며, 별도의 강제기류가 없는 시험 환경으로 인해 wind-opposed mode의 수평화염전파 수식(Quintiere 제안식)을 적용하여 침대 매트리스에서의화염 전파를 모델링하였다.

대상 데이터

일반 침대 매트리스가 적용되어졌다. 또한 Figure 2와 같이 5개 (0mm, 115mm, 215mm, 315mm, 515mm)의 서로 다른 높이를 갖는 침대 매트리스가 시험체로 채택되어졌다.
시험체는 국내에서 널리 사용되고 있는 포켓 스프링타입의 매트리스가 선택되어졌으며 크기는 싱글사이즈 (가로 970 mm, 세로 1960 mm, 높이 230 mm)인 비난연성 일반 침대 매트리스가 적용되어졌다. 또한 Figure 2와 같이 5개 (0mm, 115mm, 215mm, 315mm, 515mm)의 서로 다른 높이를 갖는 침대 매트리스가 시험체로 채택되어졌다.

이론/모형

본 연구에서는 ISO 12949 (실규모 침대매트리스 화재평가법^ 의해 국산 침대 매트리스 시험체를 대상으로 화재평가가 수행되었고. 여기서 HRR 및 온도 등의측정인자들을 바탕으로 매트리스 표면의 열확산 알고리즘을 분석하였으며, 최종적으로 침대 매트리스에 대한화염확산 현상을 수평 화염전파 수식 매커니즘에 적용하여 측정값과 계산값 간의 상관 분석이 수행되어 가연성 침대 매트리스의 화재 위험성을 경감시킬 수 있는 방안을 고찰해보고자 한다.

성능/효과

(2) 침대 매트리스 화재평가에 의한 연소성상을 파악한 결괴-, 화염의 높■이는 계산상으로는 약 5미터에 달하였으며, 3분 이내에 약 6 mm/s 이상의 급속한 화염전파 속도를 나타내었다. 이는 매트리스에서 떨어지는 불꽃 용융물 양의 증가 및 표면의 연소면적이 점층적 확대에 기인한 것으로 판단되어졌다.
(3) 침대 매트리스의 표면 화염전파의 이론적 매커니즘을 분석한 결괴-, 복사 열유속 뿐만 아니라 대류 열유속을 동시에 합성하여 고려할 경우에, 실제 화염전파 속도와의 일치성이 높게 나타났음을 알 수 있었다. 따라서침대 화재 시험시 불꽃 용융물로부터 발생하는 대류 열유속을 고려하여 정밀하게 분석하여야 침대 매트리스의표면 화염전파 매커니즘을 충분히 이해할 수 있다고 판단된다.
⑴난연성분이 없는 일반 침대 매트리스에 ISO 12949 에 근거한 화재 평가시 300초 이내에 3M何를 초과하는매우 급속한 화재성장을 보여주었는데, 이는 실제 주거시설에서 화재시 매트리스에 착화될 경우 재실자의 피난에 심각한 장애를 초래할 수 있음을 의미한다.
⑹ Fig. 16에서와 같이, 5개 매트리스 모두 거의 동일한 HRR이 측정되었음을 알 수 있는데, 이는 침대 매트리스 하단으로 떨어지는 불꽃용융물의 효과를 제거시켰을 경우의 효과를 의미하는 것으로서 침대매트리스 하단부의 대류 열유속 효과가 없어질 경우엔 최대 HRR 600kW 미만으로 측정되었다. 대류 열유속을 감안한 시험인 Fig.
16에서와 같이, 5개 매트리스 모두 거의 동일한 HRR이 측정되었음을 알 수 있는데, 이는 침대 매트리스 하단으로 떨어지는 불꽃용융물의 효과를 제거시켰을 경우의 효과를 의미하는 것으로서 침대매트리스 하단부의 대류 열유속 효과가 없어질 경우엔 최대 HRR 600kW 미만으로 측정되었다. 대류 열유속을 감안한 시험인 Fig. 5의 HRR 결과는 5개 모두의 매트리스가 최대 1MW가 초과하였던 것과 비교하면 매우 저조한 HRR 수치임을 알 수 있다. 이를 통해 침대 매트리스 하단부의 대류 열유속 효과를 제거시킬 수 있다면 침대매트리스의 화재위험성을 상당 부분 저감시킬 수 있다고판단되어 진다.
대측 끝단에 도달하는 시간은 대부분이 300초 이내에전소가 되면서 도달하였으며, 버너 착화 70초 이후부터표면에서 바닥으로 낙하하는 불꽃용융물들이 현저하게증가함을 알 수 있었다. 이렇게 바닥에 떨어진 불꽃용융물들은 바닥면에 접한 침대 매트리스 표면부를 점층적으로 가열시켰으며 결과적으로 침대 전체의 화염확산을증가시킴이 관측되었다.
14에서 같이, 대류 열유속 및 복사 열유속을 동시에 합성하여 화염전파 속도를 계산할 경우, 실제 측정실험값과 비교시 매우 유사한 추이를 보였음을 알 수 있다. 따라서 침대 매트리스의 화염전파 속도를 계산할 경우 입사열유속으로서, 복사 열유속 뿐만 이니라 대류 열유속에 의한 효과를 동시에 힙성시킬 경우 실제 실험값에 가까운 결과를 나타내었고, 열대류 인자에 의한 화염확산성을 반드시 고려하여야 정밀한 화염전파 예측을수행할 수 있다고 판단된다.
따라서침대 화재 시험시 불꽃 용융물로부터 발생하는 대류 열유속을 고려하여 정밀하게 분석하여야 침대 매트리스의표면 화염전파 매커니즘을 충분히 이해할 수 있다고 판단된다.
이는 Y 방향이 버너에서 진행되는 화염 진행축과 동일하며, X 방향은 화염 진행축과 직각으로 나열되어 있어 Y 방향이 화염진행속도가 빠른 것으로 판단되었다. 또한 매트리스 설치 높이가 높을수록 화염속도가 더 빠르게 전파되고 있음이 나타났다.
6과 Table 3에서와 같이, 매트리스 표면에서 장축방향(XI, X2) 및 단축방향(Y1)으로의 화염확산속도가측정되었다. 모든 높이에서 Y축 방향이 X축 방향에서의표면 화염확산속도가 빠르게 나타났으며, XI 방향이 X2 방향보다 근소하게 빠른 화염확산속도를 보여주었다. 이는 Y 방향이 버너에서 진행되는 화염 진행축과 동일하며, X 방향은 화염 진행축과 직각으로 나열되어 있어 Y 방향이 화염진행속도가 빠른 것으로 판단되었다.
8, 9에서와 같이, 0mm, 215mm, 515mm에 대해서 매트리스 상단부에서부터의 불꽃 화염의 평균 높이가 영상기록 분석에 의해 도출되었다. 세 개의 매트리스 높이에 대해서 불꽃의 최대 평균높이는 각각 2.368m, 2.755m, 2.805m로 나타났으며 매트리스 높이가 높을수록 그 화염의 최대 평균 높이도 높은 것으로파악되었다.
알 수 있었다. 이렇게 바닥에 떨어진 불꽃용융물들은 바닥면에 접한 침대 매트리스 표면부를 점층적으로 가열시켰으며 결과적으로 침대 전체의 화염확산을증가시킴이 관측되었다.
5와 같이 HRR 및 THR은 침대 매트리스 높이별로 515 mm = 315 mm > 215 mm>115 mm > 0 mm의 순서로 측정되었으며, 315 mm 및 515 mm간의차이가 크지는 읺.지만 매트리스 설치 높이가 높을수록연관되는 열줄력량이 증가하는 추세임을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
한 HRR이 측정되었음을 알 수 있는데, 이는 침대 매트리스 하단으로 떨어지는 불꽃용융물의 효과를 제거시켰을 경우의 효괴를 의미하는 것으로서 침대매트리스 하단부의 대류 열유속 효과가 없어질 경우엔 최대 HRR 600kW 미만으로 측정되었다. 대류 열유속을 감안한 시험인 Figure 5의 HRR 결과는 5개 모두의 매트리스가최대 1MW가 초과하였던 것과 비교하면 매우 저조한 HRR 수치임을 알 수 있다.

후속연구

정량화시키기 위한 분석이 수행되었다. 본 연구는여러 레이어로 구성된 복합 가연물 및 철제 스프링으로이뤄진 실물규모 침대 매트리스라는 복잡한 연소 물체에 대해서 화재시의 화염전파를 정량적으로 분석한 자체로서도 중요한 의미를 가질 수 있으나 향후 침대 매트리스가 구획 공간내부의 가연물 배치상황에 따라 상호작용하는 연소 성상을 규명할 경우 더욱 실질적인 화염전파 매커니즘을 분석할 수 있을 것으로 예상된다.
식(6)와 같이 제안하였다. 열복사 및 열대류를합성하여 회-염전파를 산출한 모델식이 실제 시험체에적용한 시도 사례는 현재까지 미미한 상태이기에 본 연구의 제안식이 갖는 의미는 매우 크다고 할 수 있으나, 향후 이 모델식은 좀 더 다양한 재료에 적용되어 다각적인 화재 시나리오에서 검증되어야 그 타당성이 높아질것으로 판단된다.

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