[논문]공동주택 화재 시 화재풍속에 영향을 미치는 인자들에 관한 수치해석적 연구

김병준; 서찬원; 신원규

doi:10.7731/kifse.2016.30.4.014

공동주택 화재 시 화재풍속에 영향을 미치는 인자들에 관한 수치해석적 연구
Numerical Study of the Factors Affecting Fire Flow Velocity in the Case of Interior Fire in an Apartment Building 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.4, 2016년, pp.14 - 19

김병준 (충남대학교 기계공학과) , 서찬원 (한양소방안전 주식회사) , 신원규 (충남대학교 기계공학과)

초록
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재실자가 부속실로 피난할 때 부속실 송풍기가 작동하기 전 단계에서는 방화문 개방과 더불어 실내화재로 인한 풍속이 발생하고 화재로 인해 발생된 연소생성물이 부속실을 오염시켜 피난에 어려움을 가져올 수 있다. 스프링클러가 화재풍속에 미치는 영향을 확인하기 위하여 수치해석을 진행하였고 스프링클러의 유무와 분사되는 액적크기에 따른 화재풍속을 비교하였다. 해석은 실제 공동주택의 형상과 치수를 반영해서 진행하였다. 수치해석 결과, 스프링클러가 설치되었을 때 화재풍속이 감소된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 액적이 작을수록 화재풍속이 작은 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

When an interior fire occurs in an apartment building, pollution of the entrance area by fire smoke before an air fan operates makes the evacuation of people very difficult aswhen the fire doors are opened. Numerical simulations using Fire Dynamics Simulator were conducted to determine the impact of a sprinkler on the fire flow velocity. The fire flow velocity was compared depending on the presence of sprinklers and the sprayed droplet size. The configuration and actual dimensions of an apartment building were used in the numerical simulations. The simulation results showed that fire flow velocity becomes smaller when a sprinkler is installed. In addition, the smaller droplet size results in a smaller fire flow velocity because smaller droplets can be evaporated more easily.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Domain of numerical analysis⁽²⁾.
그림 Figure 2. The geometry of the numerical domain⁽²⁾.
그림 Figure 4. The fire flow velocity of the sprinkler presence: (a) 600~1000 μm water droplet size, (b) 100~500 μm water droplet size.
그림 Figure 3. Measurement of fire flow velocity distribution by certain area method⁽¹⁾.
그림 Figure 5. The average fire flow velocity of the sprinkler presence.
$Figure 6. The soot mass fraction contour: (a) Without sprinkler, (b) with sprinkler.$ 그림 Figure 6. The soot mass fraction contour: (a) Without sprinkler, (b) with sprinkler.
$Figure 7. The average steam fraction and temperature depending on the presence of sprinklers: (a) Steam fraction, (b) temperature.$ 그림 Figure 7. The average steam fraction and temperature depending on the presence of sprinklers: (a) Steam fraction, (b) temperature.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화재가 빠르게 성장하는 연료지배형 화재⁽⁸⁾에서 재실자가 피난 시 부속실 문이 개방될 경우 스프링클러의 유무에 따른 화재풍속을 분석하고자 한다. 또한 액적크기와 화재풍속의 크기의 상관관계를 확인하고자 한다.
본 연구에서는 실내에서 화재가 발생한 경우 연료지배형 화재단계에서 재실자가 피난 시 스프링클러의 설치 유무와 분무 액적크기에 따른 화재풍속을 해석하고 비교하였다. 해석결과를 보면 스프링클러가 설치되었을 때의 화재풍속이 없을 때의 화재풍속에 비해 더 작아진 것을 확인할 수 있었다.
추가로 스프링클러 분무로 화재공간내부에서 연기입자가 제거되고 그로 인해 피난 시 경로를 확보할 수 있다. 본 연구에서는 화재가 빠르게 성장하는 연료지배형 화재⁽⁸⁾에서 재실자가 피난 시 부속실 문이 개방될 경우 스프링클러의 유무에 따른 화재풍속을 분석하고자 한다. 또한 액적크기와 화재풍속의 크기의 상관관계를 확인하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 기존의 연구에서 사용되었던 공동주택 부속실의 모델링과 경계조건을 그대로 사용했고 모델링은 실제형상과 치수를 반영되어 해석이 진행되었다, 해석된 공간은 Figure 1와 같다. Figure 2에는 상세한 해석공간의 수치가 나타나있으며 해석상에서는 실내의 방문은 모두 닫혀있는 것으로 가정하여 해석을 수행하였다.
수치해석상에서 거실방화문이 열렸을 때 부속실에 있는 송풍기는 작동전이고, 계단창문과 계단실 출입문은 열려있는 상태이다. 자동폐쇄장치는 작동하기 전이며 압력은 대기압인 상태로 가정하였다. 연소반응은 혼합분율 모델을 적용하여 해석을 진행했고 heptane 재질이 기체상에서 반응하도록 설정하였다.

제안 방법

FDS는 화원으로부터 발생되는 저속(low mach number)의 열과 연기의 수치해석이 가능하고 열 유동에 대해서는 Navier-Stokes 방정식을 기초해서 계산한다. FDS에서는 난류 유동 해석에서 Large Eddy Simulation (LES)와 Direct Numerical Simulation (DNS) 중에서 선택하여 해석을 진행할 수 있는데, 본 연구에서는 해석시간과 모델격자 등을 고려했을 때 LES모델이 적합하다고 생각되어 이를 선택하고 연소모델에서는 혼합분율 연소모델(mixture fraction combustion model)을 이용하여 해석을 진행하였다.
화재발생 시 연기가 천장으로 올라가기 때문에 방화문 상부에서의 화재풍속이 중요하고 해석결과 R1에서 5개 열 지점의 화재풍속 평균값이 가장 크게 계산되었다. R2~R5까지의 평균 화재풍속은 R1에서 보다 작거나 음수 값을 나타내고 있기 때문에 본 논문에서는 R1 높이에서만 화재풍속 평균값을 비교했다. Figure 4(a), (b)를 보면 스프링클러가 없을 때의 화재풍속과 비교했을 때 100~1000 μm의 액적크기 모두에서 화재풍속이 더 작은 것을 볼 수 있다.
. 본 연구에서는 기존의 연구를 참조하여 개구부 크기는 0.25 m²로 일정하게 하여 해석을 진행했다. 화재크기의 설정에 있어서 기존의 연구에서는 화재크기가 3가지 경우(300 kW, 600 kW, 1000 kW)인 것을 기준으로 화재풍속을 측정했기 때문에 본 연구에서는 그 중 하나인 600 kW를 기준으로 화재풍속을 측정했다.
본 연구에서는 기존의 연구에서 사용되었던 공동주택 부속실의 모델링과 경계조건을 그대로 사용했고 모델링은 실제형상과 치수를 반영되어 해석이 진행되었다, 해석된 공간은 Figure 1와 같다. Figure 2에는 상세한 해석공간의 수치가 나타나있으며 해석상에서는 실내의 방문은 모두 닫혀있는 것으로 가정하여 해석을 수행하였다.
방연풍속의 경우 출입문을 개방했을 때 방화문을 대칭적으로 균등 분할하는 10개 이상의 지점에서 계산하는 풍속의 평균치로 할 것⁽¹⁰⁾이라고 법규에 규정을 두고 있다. 본 연구에서는 화재풍속을 계산하는데 있어서 방연풍속의 규정을 참조했고 Figure 4에 나와있듯이 R1~R5까지 그리고 C1~C5까지 25개의 지점을 정하여 계산하였다. 측정된 화재풍속은 방화문에서 수직한 방향의 속도를 의미하며, 연기가 거실에서 부속실로 흐르게 될 때 양수 값을 나타낸다.
스프링클러의 작동 조건은 72 ℃로 가정했고 스프링클러에서 분사되는 액적크기는 Ferng(5) 등의 연구를 참조하여 100 μm부터 1000 μm까지 100 μm씩 증가시켜 해석을 진행하고 스프링클러의 유무에 따라 화재풍속을 비교분석했다.
자동폐쇄장치는 작동하기 전이며 압력은 대기압인 상태로 가정하였다. 연소반응은 혼합분율 모델을 적용하여 해석을 진행했고 heptane 재질이 기체상에서 반응하도록 설정하였다.
25 m²로 일정하게 하여 해석을 진행했다. 화재크기의 설정에 있어서 기존의 연구에서는 화재크기가 3가지 경우(300 kW, 600 kW, 1000 kW)인 것을 기준으로 화재풍속을 측정했기 때문에 본 연구에서는 그 중 하나인 600 kW를 기준으로 화재풍속을 측정했다. 스프링클러는 화원 바로 윗부분에 설치되었고 개구부 쪽으로 2.
기존의 연구에서는 화재발생에 대한 제연설비의 방연풍속과 열방출율, 열 유동 등에 관한 수치해석적 연구에 집중되어 있고 화재풍속에 영향을 미치는 인자에 관해서는 연구가 이루어지지 않았다. 화재풍속은 열방출율 및 열 유동 특성에 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 이와 관련된 인자로서 스프링클러를 사용하여 수치해석을 진행했다. 스프링클러는 보편적으로 널리 적용되는 소화설비로써 주로 화재를 직접소화하거나 물 입자들로 인해 발생된 화재공간의 냉각효과로 화재초기에 진압할 수 있는 대표적인 소화설비이다.

이론/모형

2 solver를 사용하였고, 전처리에서는 PyroSim 2015을 이용하였다. FDS는 화원으로부터 발생되는 저속(low mach number)의 열과 연기의 수치해석이 가능하고 열 유동에 대해서는 Navier-Stokes 방정식을 기초해서 계산한다. FDS에서는 난류 유동 해석에서 Large Eddy Simulation (LES)와 Direct Numerical Simulation (DNS) 중에서 선택하여 해석을 진행할 수 있는데, 본 연구에서는 해석시간과 모델격자 등을 고려했을 때 LES모델이 적합하다고 생각되어 이를 선택하고 연소모델에서는 혼합분율 연소모델(mixture fraction combustion model)을 이용하여 해석을 진행하였다.
연구에서는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 FDS Ver. 6.1.2 solver를 사용하였고, 전처리에서는 PyroSim 2015을 이용하였다. FDS는 화원으로부터 발생되는 저속(low mach number)의 열과 연기의 수치해석이 가능하고 열 유동에 대해서는 Navier-Stokes 방정식을 기초해서 계산한다.

성능/효과

7 m/s⁽¹⁰⁾보다 작기 때문에 스프링클러가 설치되었을 때 안전하게 피난할 수 있다는 것을 의미한다. 그리고 방화문에서의 soot mass fraction contour를 비교함으로써 스프링클러가 설치되었을 때 소화로 인해 화재에서 발생되는 연소생성물이 더 적어지게 되는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 Ferng⁽⁵⁾ 등의 연구와는 달리 액적이 작을수록 화재풍속이 작아지는 경향을 볼 수 있다.
스프링클러가 없을 때의 온도 평균값은 약 500 ℃인 것에 비해 모든 액적크기에서는 화재소화로 인해 상대적으로 온도가 감소되었다. 또한 액적크기가 감소함에 따라 온도 평균값도 감소하는 것으로 보아 평균화재풍속의 경향성과 유사함을 확인할 수 있다.
큰 액적의 경우 액적이 화재에 충돌하여 직접적으로 cooling down시키는 소화 메커니즘을 갖는데 화재가 점점 커지기 때문에 이러한 메커니즘의 영향이 적고 물의 증발에 의한 소화효과가 더 크기 때문에 Figure 5와 같은 경향성을 보이는 것이라 생각된다. 추가로 스프링클러가 없을 때의 평균화재풍속은 약 0.85 m/s이지만 스프링클러가 있을 때 모든 액적크기에서 화재풍속이 0.7 m/s보다 작은 것을 확인할 수 있다. 이것은 화재풍속이 평균 방연풍속 기준인 0.
본 연구에서는 실내에서 화재가 발생한 경우 연료지배형 화재단계에서 재실자가 피난 시 스프링클러의 설치 유무와 분무 액적크기에 따른 화재풍속을 해석하고 비교하였다. 해석결과를 보면 스프링클러가 설치되었을 때의 화재풍속이 없을 때의 화재풍속에 비해 더 작아진 것을 확인할 수 있었다. 100~1000 μm의 액적크기 모두에서 평균 방연풍속 기준인 0.
4 m)가 아닌 R1 높이(= 2 m)에서의 화재풍속을 비교한 이유는 참조한 방연 풍속의 규정에 따라 화재풍속을 계산했고 방화문이 열렸을 때 스프링클러의 유무에 따라 방화문을 통해 나가게 되는 화재풍속을 비교해야하기 때문이다. 화재발생 시 연기가 천장으로 올라가기 때문에 방화문 상부에서의 화재풍속이 중요하고 해석결과 R1에서 5개 열 지점의 화재풍속 평균값이 가장 크게 계산되었다. R2~R5까지의 평균 화재풍속은 R1에서 보다 작거나 음수 값을 나타내고 있기 때문에 본 논문에서는 R1 높이에서만 화재풍속 평균값을 비교했다.

후속연구

이는 본 연구에서 해석에 사용된 화재가 성장화재이기 때문에 화재크기가 점점 커지고 분무된 물의 증발에 의한 소화효과가 더 크기 때문이라고 생각되었고 화원 천장에서의 stream fraction과 온도평균값을 비교함으로써 그러한 경향성을 다시 한 번 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 heptane 화원 위에 존재하는 2개의 스프링클러를 설정하고 화재풍속을 해석하였기 때문에, 추가적으로 화원의 종류와 스프링클러 위치에 따른 화재풍속의 변화를 살펴보는 연구가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고층 건물에서 화재 시 안전한피난통로를 확보하는 것이 중요한 이유는?	최근 건축물이 점점 높아지고 복합화 되어가면서 화재시 재산적 피해와 더불어 거주자의 안전 문제가 중요하게다뤄지고 있다. 고층화 대형화 되고 있는 건축물 중 공동주택 및 아파트의 경우에는 어린아이부터 노인까지 다양한 사람들이 거주하고 있기 때문에 화재발생 시 더 많은인명피해가 나타나기 쉽다. 그렇기 때문에 화재 시 안전한피난통로를 확보하는 것이 가장 중요하게 생각되어야 할부분이다.
	대표적인 소화설비에는 무엇이 있는가?	화재풍속은 열방출율 및 열 유동특성에 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 이와 관련된 인자로서 스프링클러를 사용하여 수치해석을 진행했다. 스프링클러는 보편적으로 널리 적용되는 소화설비로써 주로화재를 직접소화하거나 물 입자들로 인해 발생된 화재공간의 냉각효과로 화재초기에 진압할 수 있는 대표적인 소화설비이다. 추가로 스프링클러 분무로 화재공간내부에서연기입자가 제거되고 그로 인해 피난 시 경로를 확보할 수있다.
	화재풍속이란?	화재성장단계에 있는 실내화재에서 재실자가 피난을 위해 거실방화문을 열게 될 경우 화재로 발생하게 된 연소생성물들이 부속실로 이동할 수 있다. 이런 연소생성물이 실내에서 부속실로 이동하는 속도를 화재풍속이라 하며 실내에서 부속실로의 풍속이 생겨 연소생성물이 부속실을 오염시켜 재실자가 피난하는데 어려움을 가져올 수 있다. 화재풍속은 방연풍속의 반대개념이라 할 수 있으며 열방출율및 열 유동 특성에 영향을 받는다.

참고문헌 (10)

James G. Quintiere, "Principles of Fire Behavior", THOMSON (2004).
C. W. Seo and W. G. Shin, "Numerical Study on the Effect of Heat Release Rate and Interior Opening on Fire Flow Velocity in the Case of Interior Fire in an Apartment Building", Fire Science and Engineering, Vol. 28, No. 5, pp. 37-43 (2014)
S. H. Ryu, S. K. Lee, D. H. Hong and K. R. Choi, "Characteristics of Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System Using the Fire Dynamics Simulator", Fire Science and Engineering, Vol. 24, No. 6, pp. 153-159 (2010)
C. W. Lee and S. C. Kim, "The Effect of the Pressurization System in an Apartment Building Using Fire Dynamics Simulator", Kyungil University (2015).
Y.-M. Ferng and C.-H. Liu, "Numerically Investigating Fire Suppression Mechanisms for the Water Mist with Various Droplet Sizes through FDS Code", Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, Issue 8, pp. 3142-3148 (2011).

상세보기
H. J. Moon, G. H. Ko and H. S. Ryou, "Numerical Study on the Effect of Damper Position on Characteristics of Thermal Flow at the Vestibules and Fire Door", Fire Science and Engineering, Vol. 27, No. 1, pp. 31-38 (2013).
B. G. Kim and Y. H. Park, "A Study on the Effect of Pressurized Air Supply on the Evacuation to the Elevator Lobby", Hoseo University (2009).
D. E. Kim, D. G. Seo and Y. J. Kwon, "A Study on the Combustible Materials DATA BASE of a Residential Facilities", Journal of KOSHAM, Vol. 13, No. 3, pp. 23-28 (2013).
K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk and K. Overholt, "Fire Dynamics Simulator User's Guide", NIST Special Publication 1019 six edition, NIST (2013).
National Fire Safety Code 501A, National Emergency Management Agency (2013).

저자의 다른 논문 :

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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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