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CFD 모델을 이용한 단순 스프링클러 헤드 주위의 액막 유동해석
Numerical Analysis of a Liquid Sheet Flow around a Simplified Sprinkler Head Using a CFD Model 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.6, 2016년, pp.111 - 117  

김성찬 (경일대학교 소방방재학과)

초록
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본 연구는 스프링클러 헤드 근처에서 형성되는 액막의 자유표면 유동에 대해 CFD 모델을 적용하여 해석하고 스프링클러의 초기분무 특성 예측을 위한 기존 이론식의 결과와 비교를 통해 이론 모델의 타당성을 검토하였다. CFD 해석은 상용 해석프로그램인 CFX 14.0을 이용하였으며 노즐과 디플렉터로 이루어진 단순형상에 대해 표준난류모델과 VOF법을 적용하여 해석을 수행하였다. 평판부의 디플렉터 끝단에서 속도분포는 CFD 해석과 경험식이 매우 잘 일치된 결과를 보였으나 기하학적 형상이 복잡한 부분에서는 속도분포의 차이를 보였다. 이론모델에서 예측된 평균액적크기는 실제 스프링클러 헤드에서 측정된 평균액적크기에 대한 이전 연구결과와 큰 차이를 보였다. 그러나 이론 모델은 스프링클러 헤드의 초기 액적형성과정의 메커니즘을 이해하고 실험적 접근이 용이하지 않은 상황에서 분무 액적의 특성을 예측하는데 유동한 도구로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present study examined the free surface flow of a liquid sheet near a sprinkler head using a Computational Fluid Dynamics (CFD) model and considered the feasibility of the empirical model for predicting the initial spray characteristics of the sprinkler head through a comparison of the CFD resul...

주제어

#CFD   #Sprinkler   #Spray model   #Volume of fluid   #Droplet size  

표/그림 (8)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 스프링클러의 초기 분무특성을 예측하기 위한 사전 연구로 Computational Fluid Dynamics (CFD)모델을 적용하여 단순 형상의 스프링클러 헤드 근처에서 액막 형성과정을 모델링하고 이를 기존 이론모델과 비교하여 스프링클러 헤드의 초기 분무특성 예측모델에 적용 가능성을 파악하고자 한다. 이러한 연구를 통해 스프링클러 분무해석을 위한 입력인자의 도출 과정을 다양화하고 실제 적용대상 헤드의 분무특성을 고려한 화재해석을 수행하는데 기여고자 한다.
  • 본 연구에서는 스프링클러의 초기 분무특성을 예측하기 위한 사전 연구로 Computational Fluid Dynamics (CFD)모델을 적용하여 단순 형상의 스프링클러 헤드 근처에서 액막 형성과정을 모델링하고 이를 기존 이론모델과 비교하여 스프링클러 헤드의 초기 분무특성 예측모델에 적용 가능성을 파악하고자 한다. 이러한 연구를 통해 스프링클러 분무해석을 위한 입력인자의 도출 과정을 다양화하고 실제 적용대상 헤드의 분무특성을 고려한 화재해석을 수행하는데 기여고자 한다.

가설 설정

  • Figure 2(a)에서 보는 바와 같이 CFD 해석에서 스프링클러는 오리피스와 디플렉터로 구성된 단순 형상을 고려하였으며 스프링클러의 프레임은 고려하지 않았다. 디플렉터는 평판으로 가정하였으며 단순평판부와 슬롯(slot)의 원주방향 각도가 5o, 길이가 5 mm인 부분과 13 mm인 부분으로 구분하여 슬롯 크기의 영향을 파악하고자 하였다. 오리피스 직경은 12 mm, 반사판의 직경은 38 mm, 오리피스로부터 반사판사이의 거리는 40 mm로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이론적 모델을 적용하여 실험으로만 측정되어 왔던 분무해석의 입력인자들을 예측하기 위한 연구가 제한적이었던 이유는? 대부분의 입력인자들은 직접 실험을 통해 측정되어지며 스프링클러 헤드별로 데이터베이스화 하는 연구가 진행되었다(1-3). 그러나 헤드에서 분사된 액적들의 크기나 속도 등 동적인 분무특성을 측정하는 과정은 많은 노력이 필요하며 수많은 스프링클러 종류별로 입력인자의 데이터베이스를 모두 구축하는 일은 거의 불가능한 것으로 인식되어 왔다. 이러한 이유로 이론적 모델을 적용하여 실험으로만 측정되어 왔던 분무해석의 입력인자들을 예측하기 위한 연구가 제한적으로 진행되어 왔다.
스프링클러란? 스프링클러는 건축물 내 화재의 감지 및 소화에 있어서 가장 널리 적용되는 일반적인 설비로 인식되고 있으며 적용되는 공간의 특성을 고려하여 다양한 형태의 시스템이 개발되어 왔다. 최근 들어 화재위험성 평가를 기반으로 한 다양한 설계방식의 보급이 확대됨에 따라 스프링클러 분무해석을 고려하여 공간 내 화재해석을 수행하고 이를 통해 설비의 유효성을 확인하고자 하는 노력이 증대되고 있다.
스프링클러 해석에 필요한 인자는 어떤 것들이 있는가? 최근 들어 화재위험성 평가를 기반으로 한 다양한 설계방식의 보급이 확대됨에 따라 스프링클러 분무해석을 고려하여 공간 내 화재해석을 수행하고 이를 통해 설비의 유효성을 확인하고자 하는 노력이 증대되고 있다. 일반적으로 스프링클러 해석에 필요한 인자는 크게 스프링클러에서 방사된 액적의 거동을 해석하기 위한 분무특성인자와 스프링클러 헤드의 작동시간을 예측하기 위한 헤드반응 인자로 구분할 수 있다. 헤드 반응인자는 작동온도, Response Time Index (RTI) 등 감열부의 열전달 해석에 필요한 인자로 표준화된 시험을 통해 제조사에서 정보를 제공하는 경우가 많다.
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참고문헌 (10)

  1. A. D. Putori, D. Everest and A. Atreya, "Simultaneous Measurements of Drop Size and Velocity in Large Scale Sprinkler Flows Using Particle Tracking and Laser-Induced Fluorescence", NIST GCR-03-852 (2003). 

  2. D. T. Sheppard, "Spray Characteristics of Fire Sprinklers", Ph.D Thesis, Dept. of Mechanical Engineering, Northwestern University (2002). 

  3. S. C. Kim and J. Y. Kim, "An Experimental Study on the Droplet Size Distribution of Sprinkler Spray for Residential Building", Journal of ILASS-Korea, Vol. 20, No. 3, pp. 175-180 (2015). 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. P. H. Dundas, "The Scaling of Sprinkler Discharge: Prediction of Droplet Size", FMRC Series No. 18792, Factory Mutual Research Corporation, Norwood, MA (1974). 

  5. D. Wu, D. Guillemin and A. W. Marshall, "A Modeling Basis for Predicting the Initial Sprinkler Spray", Fire Safety Journal, Vol. 42, pp. 283-294 (2007). 

    상세보기 crossref

  6. N. Ren, "Advances in Characterizing Fire Sprinkler Sprays", Ph. D. Thesis, Dept. of Fire Protection Engineering, Univ. of Maryland (2010). 

  7. N. Ren and A. W. Marshall, "Characterizing the Initial Spray from Large Weber Number Impinging Jets", International Journal of Multiphase Flow, Vol. 58, pp. 205-213 (2014). 

    상세보기 crossref

  8. E. J. Watson, "The Radial Spread of a Liquid Jet over a Horizontal Plane", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 20, pp. 481-499 (1964). 

    상세보기 crossref

  9. N. Dombrowski and W. R. Johns, "The Aerodynamic Instability and Disintegration of Viscous Liquid Sheets", Chemical Engineering Science, Vol. 18, pp. 203-214 (1963). 

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  10. ANSYS Co., ANSYS Ver.14 (2012). 

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