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누출공 크기에 따른 밀폐공간 내 수소 가스의 확산 특성
Dispersion Characteristics of Hydrogen Gas by the Effect of Leakage Hole Size in Enclosure Space 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.5, 2016년, pp.26 - 35  

최진욱 (서강대학교 기계공학과) ,  이용남 (서강대학교 기계공학과) ,  박철우 (서강대학교 기계공학과) ,  이성혁 (중앙대학교 기계공학부) ,  김대중 (서강대학교 기계공학과)

초록
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수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다. 본 연구에서는 전산유체역학 해석기법을 적용하여 밀폐된 공간 내부의 수소가스 누출 현상에 대한 수치해석 연구를 수행하였고, 실험결과와 비교하였다. 또한, 검증된 해석기법을 적용하여 누출공의 크기에 따른 가스 확산 거동에 대하여 해석하고 다양한 기법을 통해 분석하였다. 누출 시간 경과에 따른 공간 내의 가연영역을 누출공 크기 별로 확인하고, 가연영역의 체적분율을 통하여 누출공의 크기가 증가할수록 공간 내부의 가연영역은 급속히 성장함을 확인하였다. 또한 수소 가스의 누출량과 가연영역이 천장까지 성장하는 최소 소요시간 사이의 관계를 도출하였다. 특정 모니터링 지점에서 가스 몰분율 분석을 통해 가스는 형상 규모의 영향을 받지 않고 등방적 특성으로 퍼져나감을 확인하였으며, 특정 지점에서의 가스 농도는 누출구로부터 발생하는 주 유동의 효과와 밀폐공간에서의 가스 누적 효과를 모두 고려해야 함을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As a potential clean energy resource, the production and consumption of hydrogen gas are expected to gradually increase, so that hydrogen related studies are also increasing. The thermal and chemical properties of hydrogen result in its high flammability; in particular, there is a high risk if leaks...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 미래의 유망한 대체에너지 자원인 수소 가스의 누출에 따른 위험성 평가를 위한 연구를 수행하였다. 실제에서 가스 누출 혹은 그로 인한 사고의 발생 가능성은 극히 적다.
  • 본 연구에서는 유효성 검증의 대상으로 Zhang 등[10-11]이 진행한 실험 결과를 선정하고 CFD 결과와 비교하였다. 해당 연구에서는 밀폐공간 내에서 수소 가스 누출에 대한 사고 가능성에 대하여 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 직육면체 형태의 밀폐된 공간 내부에서 누출공을 모사하는 노즐을 위치시키고 수소 가스를 일정한 유량으로 중력반대방향으로 분사하였다.

가설 설정

  • 이 때 시간간격 은 유동안정성을 고려하기 위해 CFL 수를 기준으로 10-4 s 로 초기설정하고, 변동조건을 고려하여, 총 160 초까지 해석하였다. 또한 비압축성 유동으로 가정하였는데, 출구 유속측정 결과를 참고하면 노즐 분사구의 속도가 Ma≺ 0.3 이므로 가정은 타당하다. 수소는 밀도가 공기보다 낮기 때문에 중력가속도를 계산에 고려하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
석유를 대체할 수 있는 대체에너지로 각광받는 에너지는 무엇이 있는가? 최근 무분별한 자원 사용에 따른 환경오염과 에너지 고갈 문제가 사회 곳곳에서 제기됨에 따라, 기존 산업에 핵심적이던 석유를 대체할 수 있는 대체에너지의 활용에 대한 관심이 커지고 있다. 그 중에서도 수소는 공해를 일으키지 않기 때문에 연료전지에 적용되는 등 미래의 청정에너지 자원으로 각광받고 있다[1]. 최근에는 수소를 활용하는 연료전지 자동차의 개발 등 산업에서 수소를 에너지원으로 이용하려는 움직임이 있다[2].
수소는 어떤 에너지 자원인가? 수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다.
수소의 열화학적 특성은 어떠한가? 수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다. 본 연구에서는 전산유체역학 해석기법을 적용하여 밀폐된 공간 내부의 수소가스 누출 현상에 대한 수치해석 연구를 수행하였고, 실험결과와 비교하였다.
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참고문헌 (13)

  1. J. Mousavi, M. Parvini, "Analyzing effective factors on leakage-induced hydrogen fires", Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 40, pp. 29-42, 2016. 

  2. Q. Li, W. Chen, Y. Li, S. Liu, J. Huang, "Energy management strategy for fuel cell/battery/ultracapacitor hybrid vehicle based on fuzzy logic", Electrical Power and Energy Systems. 43, pp. 514-525, 2012. 

  3. H. Wilkening, D. Baraldi, "CFD modelling of accidental hydrogen release from pipelines", International Journal of Hydrogen Energy. 32, pp. 2206-2215, 2007. 

  4. E. Kim, J. Park, J.H. Cho, I. Moon, "Simulation of hydrogen leak and explosion for the safety design of hydrogen fueling station in Korea", International Journal of Hydrogen Energy. 38, pp. 1737-1743, 2013. 

  5. W. Ko, S.K. Kang, Y. Jeong, H. Bang, "Research trends for the ventilation standards for prevention of gas explosion in underground space", The 48th KOSCO Symposium, pp. 25-26, May 2014. 

  6. Y.-L. Liu, J.-Y. Zheng, P. Xu, Y.-Z. Zhao, H.-Y. Bie, H.-G. Chen, H. Dryver, "Numerical simulation on the diffusion of hydrogen due to high pressured storage tanks failure", Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 22, pp. 265-270, 2009. 

  7. J. Choi, N. Hur, S. Kang, E.D. Lee, K.B. Lee, "A CFD simulation of hydrogen dispersion for the hydrogen leakage from a fuel cell vehicle in an underground parking garage", International Journal of Hydrogen Energy. 38 pp. 8084-8091, 2013. 

  8. K. Takeno, K. Okabayashi, A. Kouchi, T. Nonaka, K. Hashiguchi, K. Chitose, "Dispersion and explosion field tests for 40 MPa pressurized hydrogen", International Journal of Hydrogen Energy. 32 pp. 2144-2153, 2007. 

  9. S.K Vudumu, U.O. Koylu, "Detailed simulations of the transient hydrogen mixing, leakage and flammability in air in simple geometries", International Journal of Hydrogen Energy. 34 pp. 2824-2833, 2009. 

  10. J. Zhang, M.A. Delichatsios, A.G. Venetsanos, "Numerical studies of dispersion and flammable volume of hydrogen in enclosures", International Journal of Hydrogen Energy. 35, pp. 6431-6437, 2010. 

  11. J.M. Lacome, D. Jamois, L. Perrette, C.H. Proust, "Large-scale hydrogen release in an isothermal confined area", International Journal of Hydrogen Energy. 36, pp. 2302-2312, 2011. 

  12. M. Moonis, A.J. Wilday, M.J. Wardman, "Semi-quantitative risk assessment of commercial scale supply chain of hydrogen fuel and implications for industry and society", Process Safety and Environmental Protection. 88, pp. 97-108, 2010. 

  13. J. Zheng, H.-Y Bie, P. Xu, P. Liu, Y.-Z Zhao, H.-G Chen, X. Liu, L. Zhao, "Numerical simulation of high-pressure hydrogen jet flames during bonfire test", International Journal of Hydrogen Energy. 37, pp. 783-790, 2012. 

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