[논문]필드모델에서 연료소모에 기초한 화학적 화염높이 산정

김성찬

doi:10.7731/kifse.2016.30.2.092

필드모델에서 연료소모에 기초한 화학적 화염높이 산정
Estimation of Chemical Flame Height based on Fuel Consumption in a Fire Field Model 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.2, 2016년, pp.92 - 97

초록
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본 연구는 필드모델에서 소모된 연료에 기초하여 화학적 화염높이를 산정하기 위한 방법을 검토하고자 한다. 높이 방향으로 HRRPUL의 누적값과 연료농도에 따른 계산 알고리즘을 FDS 해석결과에 적용하였으며 평균화학적 화염높이는 알고리즘을 적용한 순간화염높이의 시간평균을 통해 산정하였다. 연료농도에 기초한 평균화염높이는 HRRPUL의 누적값에 의해 계산된 화염높이와 10% 이내의 상향예측범위에서 일치된 결과를 보였다. 이러한 연구는 전산화재해석모델에서 정량적인 화염높이를 산정하고 보다 상세한 화재거동특성을 이해하는데 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study has been conducted to estimate the chemical flame height based on fuel consumption in fire field model. The calculation algorithms based on cumulative fraction of HRRPUL and fuel concentration along the z axis were applied to the results predicted by Fire Dynamics Simulator (FDS) version 6.3.2 and the mean chemical flame height was obtained by time averaging of instantaneous flame height with the algorithms. The mean flame height calculated by fuel concentration was quite well matched with that of cumulative value of HRRPUL within 10% over-prediction. This study contribute to a more detailed understanding of fire behavior and quantitative evaluation of flame height in the computational fire model.

주제어

표/그림 (9)

그림 Figure 1. Binary image processing to determine flame height for a wood crib fire.
그림 Figure 2. Algorithms of flame height calculation based on the concept of fuel consumption.
그림 Figure 3. Schematic of computational domain.
$Figure 4. HRRPUL and cumulative fraction along the height for the case 1 ( <TEX>$\dot{Q}^*_D$</TEX> = 1).$ 그림 Figure 4. HRRPUL and cumulative fraction along the height for the case 1 ( $\dot{Q}^*_D$ = 1).
$Figure 5. Time history of the calculated flame height where the cumulative fraction of HRRPUL is 0.99 for the case 3 ( <TEX>$\dot{Q}^*_D$</TEX> = 3).$ 그림 Figure 5. Time history of the calculated flame height where the cumulative fraction of HRRPUL is 0.99 for the case 3 ( $\dot{Q}^*_D$ = 3).
표 Table 1. Fuel Mass Flow Rate with Non-dimensional Heat Release Rate for 10 cm C₃H₈ Burner and Mean Flame Height Calculated by Heskestad's Correlation
$Figure 6. Fuel concentration along the height for the case 1 and 3 ( <TEX>$\dot{Q}^*_D$</TEX> = 1, 3).$ 그림 Figure 6. Fuel concentration along the height for the case 1 and 3 ( $\dot{Q}^*_D$ = 1, 3).
그림 Figure 7. Comparison of flame height predicted by using Heskestad's formula, HRRPUL parameter and fuel concentration.
$Figure 8. Correlation between flame height calculated by HRRPUL and fuel volume fraction.$ 그림 Figure 8. Correlation between flame height calculated by HRRPUL and fuel volume fraction.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 연료 소모 관점에서 화학적 화염높이를 평가한 연구로 향후 연소생성물에 기초한 추가적 연구를 수행하여 수치해석 모델에서 화염높이의 정량적인 평가를 도모하고 화재거동특성을 이해하는데 기여하고자 한다.
본 연구는 화학적 화염높이에 대한 이해를 바탕으로 필드모델에서 정량적인 화염높이를 산정하기 위한 계산알고리즘을 구성하였으며 FDS 모델에 의해 계산된 결과를 후처리하여 화염높이를 평가하였다.
화염의 높이를 결정하기에 앞서 화염의 경계를 구분할 수 있는 변수의 선택과 임계값을 선정하는 것이 우선시 될 필요가 있다. 본 연구에서는 소모된 연료 양에 해당되는 발열량을 추적하는 방법과 화원으로부터 연료농도의 감소를 통하여 화학적 화염 높이를 산정하는 방식에 대해 논의하고자 한다.
일반적으로 화염의 높이는 식(1)에서 제시된 바와 같이 화원의 직경과 무차원 발열량의 함수로 알려져 있다. 본 연구에서는 화원의 물리적 크기는 고정하고 발열량 변화에 따른 화재거동을 해석하고 이에 대한 화염높이를 경험식과 비교하고자 한다. 화원에서 공급되는 연료의 양은 무차원 발열량을 적용하여 계산하였으며 화원의 직경과 발열량에 대한 무차원 발열량은 다음과 같이 계산된다⁽¹²⁾.
이를 바탕으로 FDS 모델을 이용하여 수치해석을 수행하고 계산알고리즘을 적용하여 평가된 화염높이를 비교하여 화학적 화염높이의 산정방법의 타당성을 평가하고자 한다. 이러한 연구를 통해 수치해석 모델에서 화염높이의 정량적인 평가를 도모하여 화재 위험성 인자로서의 활용도를 높이고 화재거동특성을 이해하는데 기여하고자 한다.
화학적 화염높이는 주로 연료에 기초한 방법과 연소생성물에 기초한 방법으로 구분할 수 있는데 본 연구에서는 연료소모에 기초한 화학적 화염높이의 산정방법을 검토하여 계산알고리즘을 구성한다. 이를 바탕으로 FDS 모델을 이용하여 수치해석을 수행하고 계산알고리즘을 적용하여 평가된 화염높이를 비교하여 화학적 화염높이의 산정방법의 타당성을 평가하고자 한다. 이러한 연구를 통해 수치해석 모델에서 화염높이의 정량적인 평가를 도모하여 화재 위험성 인자로서의 활용도를 높이고 화재거동특성을 이해하는데 기여하고자 한다.

가설 설정

Figure 2. Algorithms of flame height calculation based on the concept of fuel consumption.
화원은 한 변의 길이가 10 cm인 프로판 버너로 가정하였으며 화원의 중앙단면에 대칭경계조건(symmetric boundary condition)을 적용하였다. 해석영역의 한 변은 30 cm, 높이는 80 cm이고 측면과 윗면은 외기에 개방된 것으로 가정하였으며 바닥면은 벽 조건을 적용하였다.
Figure 3은 FDS 계산에 적용된 해석영역을 도식적으로 나타낸다. 화원은 한 변의 길이가 10 cm인 프로판 버너로 가정하였으며 화원의 중앙단면에 대칭경계조건(symmetric boundary condition)을 적용하였다. 해석영역의 한 변은 30 cm, 높이는 80 cm이고 측면과 윗면은 외기에 개방된 것으로 가정하였으며 바닥면은 벽 조건을 적용하였다.

제안 방법

Figure 2(b)는 연료의 체적분율에 기초한 화염높이(h_{f, fuel})를 계산하는 과정을 보여준다. 임의시간에 대한 비정상 화염은 부력과 유입유동의 상호작용에 의해 간헐성(intermittency)이 존재하는데 높이 방향으로 화원 위에 지속적으로 화염이 항상 존재하는 연속화염구간(continuous flame region)과 간헐화염(intermittent flame)이 존재하는 구간으로 구분할 수 있는데 본 연구에서는 연속화염부에서 화염편의 이탈이 발생하는 경우 임계값에 부합되는 최대높이를 화염높이로 간주하였다.
05까지 감소하는 높이를 최대화염높이로 간주하였다⁽⁴⁾. 즉, 임의시간에 촬영된 영상에 대해 대조비(contrast level)에 따라 화염경계를 구분하고 주어진 시간동안 높이방향으로 화염이 존재하는 빈도를 계산하여 간헐도를 평가하게 된다. 화염높이에 관한 대표적인 경험식인 Heskestad 식은 이러한 가시화염의 평균화염높이에 기초하고 있다⁽⁵⁾.
화학적 화염높이는 주로 연료에 기초한 방법과 연소생성물에 기초한 방법으로 구분할 수 있는데 본 연구에서는 연료소모에 기초한 화학적 화염높이의 산정방법을 검토하여 계산알고리즘을 구성한다. 이를 바탕으로 FDS 모델을 이용하여 수치해석을 수행하고 계산알고리즘을 적용하여 평가된 화염높이를 비교하여 화학적 화염높이의 산정방법의 타당성을 평가하고자 한다.

대상 데이터

해석격자는 한 변의 길이가 5 mm인 정방형 격자를 적용하였으며 전체 해석영역에 대한 격자수는 약 700,000개 정도이다. 격자 해상도 지수는 화재의 특성길이(L_c)를 분해하는 정도를 나타내며 다음과 같이 계산된다⁽¹³⁾.

데이터처리

• 공급된 연료의 높이에 따른 소모량은 HRRPUL 변수를 통해 파악하였으며 누적값을 계산하여 99% 연료소모 화원 높이를 산정하였다.

이론/모형

필드모델에서 연소된 연료량과 연료농도에 따라 화염 높이를 산정하기 위해 Fire Dynamics Simulator (FDS) 6.3을 이용하여 수치해석을 수행하였다⁽¹⁰⁾. FDS 6.

성능/효과

• HRRPUL에 의해 계산된 화염높이와 연료농도에 기초한 화염높이는 10% 이내에서 잘 일치하였으며 연료농도에 기초하여 계산된 화염높이가 다소 상향 예측된 결과를 제공하는 것으로 나타났다.
01 m²이고 #가 1인 프로판 제트 화염에 대해 준정상상태 10초 동안 시간 평균된 높이 방향으로의 HRRPUL 값과 누적분율을 나타낸다. HRRPUL값은 화원근처에서 매우 큰 값을 보였으며 높이 증가에 따라 감소하고 0.3 m 정도에서 거의 0에 도달하였다. 따라서 그 이상의 높이에서는 연료의 소진에 따라 연소반응이 존재하지 않음을 의미한다.
HRRPUL과 연료농도 조건을 적용한 화학적 화염높이는 무차원 발열량 변화에 따라 크게 변화 없이 5% 이내에서 거의 일정한 차이를 보인 반면에 Heskestad식에 대한 화학적 화염높이의 비는 무차원 발열량이 증가함에 따라 최대 20%까지 차이가 나는 것으로 나타났다.
Figure 8은 해석대상 조건에 대해 HRRPUL 조건에 의해 계산된 화염높이와 연료농도조건에 의해 계산된 화염 높이와의 관계를 나타낸다. 두 가지 방법에 의해 계산된 화염높이는 서로 잘 일치하고 있으며 연료농도에 의해 산정된 화염높이가 HRRPUL 조건을 적용하여 산정된 화염 높이에 비해 평균적으로 8% 정도 높게 나타났다. 연료농도 기준(0.
두 가지 방법에 의해 계산된 화염높이는 서로 잘 일치하고 있으며 연료농도에 의해 산정된 화염높이가 HRRPUL 조건을 적용하여 산정된 화염 높이에 비해 평균적으로 8% 정도 높게 나타났다. 연료농도 기준(0.05%)은 임계값에 대한 근거가 명확한 근거가 없음에도 불구하고 HRRPUL 조건으로 계산된 화염높이와 비교적 잘 일치된 결과를 보여주었다. 또한 HRRPUL 조건을 적용한 화염높이 산정방법은 화염의 기하학적 변형에 대한 고려 없이 비교적 간단하게 화학적 화염높이를 산정할 수 있는 방법으로 필드모델에서 유용한 화염높이 산정방식이 될 수 있을 것으로 판단된다.
2 m 정도의 큰 변동 폭을 나타냈다. 전체적으로 평균 화염높이는 약 0.4 m 정도였으며 표준편차는 0.068 m 정도이다. 전체적으로 화원에서 공급되는 연료의 양이 증가함에 따라 이러한 섭동은 증가하는 경향을 보였으며 이는 간헐화염부에서 화염이탈에 따른 최대 높이가 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
중앙부 연료의 농도는 공급되는 연료의 양이 많을수록 높게 나타났다. 전체적으로 화원 상부의 연료 농도는 지수적으로 감소하는 경향을 보였다. 연료가 공급되는 화원 근처에서는 높이에 따른 연료 농도의 감소가 급격히 일어났으나 화원표면에서 멀어질수록 연료농도의 구배가 완만한 형태를 보였다.
= 3인 화원에 대해 앞서 제시된 HRRPUL의 누적분포가 99%인 지점을 기준으로 계산된 화염높이의 시간변화를 나타낸다. 화염 높이는 2초 이후 준정상상태를 보였으며 최대 약 0.8 m, 최소 0.2 m 정도의 큰 변동 폭을 나타냈다. 전체적으로 평균 화염높이는 약 0.

후속연구

• 연료농도값 기준(Xfuel = 0.05%)에 의한 화염높이 산정방법은 임계값에 대한 명확한 근거가 부족함에도 불구하고 전체적으로 수용할 수 있을만한 결과를 보였으며 계산방법이 단순한 장점이 있으나 본 연구에 사용된 프로판 화염이외에 연료의 종류 및 연소조건에 따라 추가적으로 검토가 필요하다.
05%)은 임계값에 대한 근거가 명확한 근거가 없음에도 불구하고 HRRPUL 조건으로 계산된 화염높이와 비교적 잘 일치된 결과를 보여주었다. 또한 HRRPUL 조건을 적용한 화염높이 산정방법은 화염의 기하학적 변형에 대한 고려 없이 비교적 간단하게 화학적 화염높이를 산정할 수 있는 방법으로 필드모델에서 유용한 화염높이 산정방식이 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재특성을 나타내는 주요 인자는 무엇인가?	화재특성을 나타내는 주요 인자로 발열량(heat release rate, kW), 화재 플럼(fire plume)의 열유동장, 연소생성물의 종류 및 발생량, 화염 높이 등이 널리 알려져 있다. 그중에 서 화염높이는 화원의 가시적인 거동 특성을 보여주는 대표적인 인자로 화재위험성 평가의 척도나 화재의 발달상태, 화재역학적 거동특성을 이해하는데 있어서 보편적으로 활용된다.
	화재특성을 나타내는 주요 인자 중 화염높이는 무엇인가?	화재특성을 나타내는 주요 인자로 발열량(heat release rate, kW), 화재 플럼(fire plume)의 열유동장, 연소생성물의 종류 및 발생량, 화염 높이 등이 널리 알려져 있다. 그중에 서 화염높이는 화원의 가시적인 거동 특성을 보여주는 대표적인 인자로 화재위험성 평가의 척도나 화재의 발달상태, 화재역학적 거동특성을 이해하는데 있어서 보편적으로 활용된다. 화염 높이를 평가하기 위한 다양한 방법이 시도되었으나 화염은 비정상적인(unsteady) 특성, 화염경계의 불명확함과 3차원 공간상에서의 기학학적 변형 등으로 인해 명확하게 정의하는 것이 쉬운 일은 아니며 화염높이 산정을 위한 표준화된 방법이 제시되고 있지 않아 연구자들마다 다양한 기준에 의해 화염높이를 산정하는 경향이 있다(1-3).
	화염의 가시적 조도(illuminance)를 영상장치로 촬영하여 임계값을 기준으로 화염높이를 산정한 가시화염은 무엇에 영향을 받을 수 있는가?	화재분야에서 화염 높이에 관한 대부분의 연구는 화염의 가시적 조도(illuminance)를 영상장치로 촬영하여 임계값을 기준으로 화염높이를 산정하는 방법이 주로 사용되었다. 이러한 가시화염은 연료의 종류, 연소생성물의 조성, 화염의 강도, 주변광의 세기, 영상장치의 노출시간 등에 따라 영향을 받을 수 있다. Figure 1은 목재화재에 대해 임의시간에 촬영된 영상을 이진영상(binary image)으로 전환하여 화염높이를 평가하는 과정을 보여준다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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A. Tewarson, "Ch. 4, Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires", SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd Ed., pp. 3.82-3.161 (2002).
G. Cox, "Combustion Fundamentals of Fire", Academic Press Inc. (1995).
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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