[논문]균일한 제트 분출을 위한 에어커튼 노즐 설계

박원희; 장희철

doi:10.7731/kifse.2016.30.4.039

균일한 제트 분출을 위한 에어커튼 노즐 설계
Air Curtain Nozzle Design for Uniform Jet Expulsion 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.4, 2016년, pp.39 - 45

박원희 (한국철도기술연구원 철도안전연구실) , 장희철 ((주)델타이에스 기술연구소)

초록
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화재발생시 가장 큰 인명피해를 유발시키는 연기의 안전한 구역으로 유입을 차단하기 위해 방화문 등 출입구 상부에 설치되는 에어커튼 노즐의 최적 설계를 수행하였다. 연기의 유입을 차단을 목적으로 개구부 상부에 설치되는 에어커튼 노즐의 슬릿에서 유동이 편심되지 않고 외부로 균일하게 배출되어야 한다. 유입 풍량, 내부 슬릿 형상, 외부 슬릿 두께 등을 변수로 고려하여 다양한 조건별로 수치해석을 수행하여 최종 형상을 선정하였다. 최종 형상을 시제품으로 제작하여 수치해석 결과와 비교 검증한바 모든 슬릿의 평균 속도에 대한 시험과 수치해석 결과의 상대오차는 1% 미만으로 매우 일치하는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The optimal design of an air curtain nozzle installed at exits, such as fire doors, was determined in order to block the flow of smoke into safe zones. Smoke is the greatest cause of loss of life during the fire. To block the flow of smoke, the airflow must be expelled uniformly without eccentricity from the slits in the air curtain nozzle installed on the upper part of the opening. In order to accomplish this, factors such as air inflow volume, shape of the internal slits, and thickness of the external slits were considered as variables in this study, and a numerical analysis was performed under various conditions. This led to the selection of a final shape which led to the finalization of a design shape. The final shape was manufactured as a prototype and the results were compared and verified with the results of the numerical analysis. The relative error of the numerical analysis results was less than 1%, and the average speed of all the slits was tested, exhibiting a highly consistent tendency.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Conceptual figure of air-jet nozzle for smoke protection.
그림 Figure 2. Performance of smoke protection for air-jet nozzle.
그림 Figure 3. P-Q diagram for HAE SUNG LK-803S.
표 Table 1. Dimension of Initial Design of a Nozzle
그림 Figure 4. Computational and grid domain of initial design.
그림 Figure 5. Distributions of jet for intial model (case 0).
표 Table 2. Conditions of Shape of Inner Slit
표 Table 3. Conditions of Width of Outer Slit
표 Table 4. Conditions of Flow Rate at Inlet
그림 Figure 6. Distributions of jet for various inner slits.
그림 Figure 7. Distributions of jet for various outer slits.
그림 Figure 8. Distributions of jet for various air flows.
그림 Figure 9. Measurement of air velocities at outlet of final designed nozzle.
그림 Figure 10. Comparison of air velocities at nozzle obtained from tests and analysis.
표 Table 5. Setting Conditions for Final Designed Nozzle
표 Table 6. Velocity at Outer Slit

AI 본문요약
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문제 정의

다양한 송풍기의 작동 풍량에 따른 외부 슬릿의 유속 균일도를 검토하여 보았다. Table 4는 송풍기에서 유입되는 풍량에 따른 case를 보여주고 있다.
연기유입을 차단하기 위한 에어커튼 노즐의 설계시 유의해야할 점은 외부로 배출되는 유동이 편심되지 않고 균일해야 한다는 점이다. 본 연구에서는 에어커튼 노즐의 슬릿을 통하여 유동이 균일하게 배출 유동의 균일성을 목표로 에어커튼 노즐의 형상 최적화 수치해석을 수행하였다. 이를 위하여 유입 유량,내부 슬릿 형상, 외부 슬릿 두께 등을 변수로 고려하여 다양한 조건별로 수치해석을 수행하여 최종 형상을 선정하였다.
에어커튼 노즐의 모든 슬릿에서 균일한 유속을 보여야만 연기를 차단하는 모든 영역에서 균일한 연기 차단 성능을 보이므로 이를 설계 목표로 하였다. 설계를 위하여 초기 형상 설계로부터 다양한 조건의 연구를 통한 최종 형상을 도출하고자 한다.
에어커튼 노즐 몸통 좌측면 한쪽 끝단에 송풍기가 연결되어 있으며, 송풍기에서 유입된 공기는 다수의 좁은 외부 슬릿을 통하여 외부로 빠른 속도로 배출되어 연기를 차단하게 된다. 에어커튼 노즐의 모든 슬릿에서 균일한 유속을 보여야만 연기를 차단하는 모든 영역에서 균일한 연기 차단 성능을 보이므로 이를 설계 목표로 하였다. 설계를 위하여 초기 형상 설계로부터 다양한 조건의 연구를 통한 최종 형상을 도출하고자 한다.
화재발생시 가장 큰 인명피해를 유발시키는 연기가 안전한 구역으로의 유입되는 것을 차단하기 위해 방화문 등 출입구에 설치되는 에어커튼 노즐의 최적 설계를 수행하였다. 이러한 목적을 위하여 모델링, 수치해석, 제품 제작 및 시험을 통한 검증 등이 수행되었다. 연기유입을 차단하기 위한 에어커튼 노즐의 설계시 유의해야할 점은 외부로 배출되는 유동이 편심되지 않고 균일해야 한다는 점이다.

가설 설정

따라서 경계조건은 팬으로 유입되는 곳에 유량 조건, 슬릿을 대기압 조건으로 설정하였다. 송풍기 팬은 압력차에 의해 유량이 변하지만, 일정시간 송풍기가 작동한 후 정상상태에 도달한 것으로 가정하였다. 송풍기 유량은 실제 차연도어 에어커튼 노즐 설치 시 사용될 송풍기인 HAE SUNG LK-803S⁽¹²⁾의 P-Q 선도(Figure 3)의 풍량을 사용하였으며, 에어커튼 노즐의 출구조건은 대기압으로 설정하였다.

제안 방법

1⁽¹¹⁾을 이용하였다. 노즐의 모든 슬릿에서 균일한 유속분포 경향을 보이는 최적 설계를 위하여 기본 형상 설계로부터 다양한 케이스 수행을 통한 최종 형상을 도출하였다.
앞 절에서 간략히 소개하였지만, 에어커튼 노즐의 한 쪽 끝단은 송풍기 팬으로 연결되어 공기가 유입되고, 에어커튼 노즐에 뚫려있는 다수의 슬릿을 통하여 외부로 배출되는 간단한 구조이다. 따라서 경계조건은 팬으로 유입되는 곳에 유량 조건, 슬릿을 대기압 조건으로 설정하였다. 송풍기 팬은 압력차에 의해 유량이 변하지만, 일정시간 송풍기가 작동한 후 정상상태에 도달한 것으로 가정하였다.
본 CFD 해석을 수행하기 전에 정확한 결과 도출을 위하여 격자 민감도 테스트 해석을 선행하였다. 격자 개수에 따른 결과 검토를 위하여 격자 개수에 따라 (약 500,000~4,000,000 이내)테스트 해석을 수행하고 결과를 비교 검토하였으며, 초기 모델은 격자 개수는 약 96만개로 생성하였다.
송풍기 팬은 압력차에 의해 유량이 변하지만, 일정시간 송풍기가 작동한 후 정상상태에 도달한 것으로 가정하였다. 송풍기 유량은 실제 차연도어 에어커튼 노즐 설치 시 사용될 송풍기인 HAE SUNG LK-803S⁽¹²⁾의 P-Q 선도(Figure 3)의 풍량을 사용하였으며, 에어커튼 노즐의 출구조건은 대기압으로 설정하였다.
Table 4는 송풍기에서 유입되는 풍량에 따른 case를 보여주고 있다. 실제 송풍기의 PQ 곡선을 참고하여 차연도어 에어커튼 노즐로 유입될 수 있는 유량 범위 내에서(2~14 m³/min) 8개의 조건으로 구분하였다.
에어커튼 노즐에 내부 슬릿이 추가되었을 때 유속의 균일도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 몇 가지 내부 슬릿의 형상을 검토하였다. 내부 슬릿의 형상은 Table 2에 나타내었으며, 내부 슬릿의 가로 길이는 1,000 mm이며, 세로 길이는 약 46.
에어커튼 노즐의 최적설계를 위한 환경 조건인 유입 풍량, 내부 슬릿 및 외부 슬릿 등에 따라 에어커튼 노즐의 제트 유동 특성을 분석이 필요하며, 각 해석 조건은 다음과 같다.
외부 슬릿의 두께에 따른 유동 균일도를 검토하기 위하여 해석 조건으로 설정하였다. Case 0은 초기 모델의 형상이며, 초기 모델의 경우 외부 슬릿의 두께가 9 mm로 Table 1에서 확인할 수 있다.
송풍기는 HAE SUNG LK-803S 모델⁽¹¹⁾로 송풍기 주파수를 30 Hz로 설정하여 사용하였다. 외부 슬릿의 유속 측정은 3개의 열선풍속계를 1 set로 1분간 외부 슬릿의 출구에서 측정하였으며, 총 측정 포인트는 48개로 1개 외부 슬릿에 3개 포인트가 위치하도록 하였다. 총 17개 슬릿으로 51개 측정 포인트가 아니고 48개인 이유는 첫 번째와 마지막 슬릿은 슬릿의 길이가 짧기 때문이다.
본 연구에서는 에어커튼 노즐의 슬릿을 통하여 유동이 균일하게 배출 유동의 균일성을 목표로 에어커튼 노즐의 형상 최적화 수치해석을 수행하였다. 이를 위하여 유입 유량,내부 슬릿 형상, 외부 슬릿 두께 등을 변수로 고려하여 다양한 조건별로 수치해석을 수행하여 최종 형상을 선정하였다. 또한 최종 형상을 시제품으로 제작하여 수치해석 결과와 비교 검증하였다.
초기 에어커튼 노즐은 0.0867 m³/s 유량으로 공기가 유입되고 내부 슬릿은 없으며, 외부 슬릿(60 mm*9 mm)은 총 17개로 각각의 슬릿에서 외부로 배출되는 속도(유량)의 균일도를 검토하였다. 외부 슬릿의 개수는 모든 해석 케이스에서 동일하며, 각각 슬릿의 넘버링은 공기가 유입되는 가장 가까운 외부 슬릿이 1번이며, 가장 먼 외부 슬릿 번호는 17번이다(Figure 4(a) 참조).
해석한 결과에 근거하여 선정한 최종 형상을 시제품으로 제작하여 CFD와 동일한 환경에서 시험 후 비교 검토를 하도록 한다. 시험을 위한 형상에 대한 정보는 Figure3와 같다.
화재발생시 가장 큰 인명피해를 유발시키는 연기가 안전한 구역으로의 유입되는 것을 차단하기 위해 방화문 등 출입구에 설치되는 에어커튼 노즐의 최적 설계를 수행하였다. 이러한 목적을 위하여 모델링, 수치해석, 제품 제작 및 시험을 통한 검증 등이 수행되었다.

대상 데이터

본 CFD 해석을 수행하기 전에 정확한 결과 도출을 위하여 격자 민감도 테스트 해석을 선행하였다. 격자 개수에 따른 결과 검토를 위하여 격자 개수에 따라 (약 500,000~4,000,000 이내)테스트 해석을 수행하고 결과를 비교 검토하였으며, 초기 모델은 격자 개수는 약 96만개로 생성하였다.
시험을 위한 형상에 대한 정보는 Figure3와 같다. 송풍기는 HAE SUNG LK-803S 모델⁽¹¹⁾로 송풍기 주파수를 30 Hz로 설정하여 사용하였다. 외부 슬릿의 유속 측정은 3개의 열선풍속계를 1 set로 1분간 외부 슬릿의 출구에서 측정하였으며, 총 측정 포인트는 48개로 1개 외부 슬릿에 3개 포인트가 위치하도록 하였다.
Computation Fluid Dynamics (CFD) 해석을 위한 초기형상 및 규격은 Figure 3 및 Table 1과 같다. 에어커튼 노즐 몸체의 전체 길이는 1,200 mm이며, 공기 제트가 형성되는 슬릿이 있는 구간은 1,000 mm이다. 에어커튼 노즐 몸체의 외부 지름은 100 mm이며, 내부의 지름은 98 mm다.

데이터처리

화재연기는 부력으로 인하여 공간의 천장벽을 타고 전파되는 모멘템을 가지고 있는데, 에어커튼 노즐에서 방출되는 유속이 균일하지 않고 유속이 낮은 영역이 있을 경우 연기의 침입에 취약할 수 있으므로, 차연을 위한 에어커튼 노즐 제트는 노즐 길이방향으로 균일한 유속을 확보하는 것이 가장 유리하다. 노즐의 최적 설계를 위한 수치해석 프로그램은 Mentor Graphics사의 FloEFD V14.1⁽¹¹⁾을 이용하였다. 노즐의 모든 슬릿에서 균일한 유속분포 경향을 보이는 최적 설계를 위하여 기본 형상 설계로부터 다양한 케이스 수행을 통한 최종 형상을 도출하였다.
이를 위하여 유입 유량,내부 슬릿 형상, 외부 슬릿 두께 등을 변수로 고려하여 다양한 조건별로 수치해석을 수행하여 최종 형상을 선정하였다. 또한 최종 형상을 시제품으로 제작하여 수치해석 결과와 비교 검증하였다. 모든 슬릿의 평균 속도에 대한 시험과 수치해석 결과의 상대오차는 1% 미만으로 매우 일치하는 경향을 보였다.
총 17개 슬릿으로 51개 측정 포인트가 아니고 48개인 이유는 첫 번째와 마지막 슬릿은 슬릿의 길이가 짧기 때문이다. 또한 측정오차를 줄이기 위해 동일한 조건에서 3회 반복 시험하였으며, 3회 시험한 유속의 평균값을 시험 값으로 사용한다. Figure 9는 외부 슬릿에서의 유속 측정 사진을 보여주고 있다.

성능/효과

48개 측정 포인트에서 3번의 반복 측정한 유속의 평균값을 17개의 외부 슬릿으로 정리한 시험결과와 CFD 해석 결과인 유속 분포는 Figure 10과 같다. 17개의 평균 유속은 시험 결과 31.30 m/s, CFD 해석 결과 31.06 m/s로 상대오차는 0.8%로 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 그러나 각각의 외부 슬릿을 기준으로 상대오차를 비교하면 최소 0.
Table 4과 같이 유입 풍량에 따라 해석한 결과로서 앞 절에서 해석 결과 유속 균일도가 가장 우수하게 나타난 case i3와 case o3의 형상으로 모든 case f0~case f7까지 모든 case에서 결과는 Figure 8에 나타내었다. 각 노즐별로 17개 외부 슬릿의 평균 속도를 계산하였으며, 이 계산된 평균 속도를 이용하여 구한 상대오차의 평균값은 1.10%~1.47%, 상대오차의 최대값은 8.14%~9.90% 범위로 고려한 송풍기 풍량에 대하여 각 노즐에서의 속도 분포의 영향이 비슷한 것을 확인할 수 있었다. 입구 경계조건에서의 평균 압력은 case f0: 1448.
18Pa이다. 따라서 차연도어 에어커튼 노즐로 유입되는 유량의 크기는 외부 슬릿의 유속 균일도에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
또한 최종 형상을 시제품으로 제작하여 수치해석 결과와 비교 검증하였다. 모든 슬릿의 평균 속도에 대한 시험과 수치해석 결과의 상대오차는 1% 미만으로 매우 일치하는 경향을 보였다. 본 연구에서 설계된 노즐을 이용하여 연기차단 효과를 검토할 예정이다.
934 m/s이다. 유속편차가 가장 크게 나타난 1번 슬릿의 평균 유속대비 상대오차가 91%이며, 전체 슬릿의 평균 상대오차는 15.8%로 균일도가 좋지 못함을 확인할 수 있었다. 입구 경계조건에서의 평균 압력은 120.
전체 에어커튼 노즐의 평균유속을 기준으로 평균 상대오차는 case 0: 15.8%, case o1: 3.76%, case o2: 3.8% &case o3: 1.2%로 case o3는 case 0에 비해 약 13.2배 정도 향상되었다.
타공 사이의 간격이 넓을 경우(case i2)가 가장 균일도가 떨어짐을 확인할 수 있었다. 전체 에어커튼 노즐의 평균유속을 기준으로 평균 상대오차는 case 0:15.8%, case i1: 12.9%, case i2: 16.2%, case i3: 3.4%로 타공 간격이 조밀한 case i3가 다른 case에 비하여 월등히 균일도가 좋아졌음을 확인하였다. 그러나 실제 제품를 제작할 때 타공판의 간격이 너무 근접할 경우 발생할 수 있는 강도의 문제 및 제작 자체의 어려움을 고려할 필요가 있다.
0867 m³/s 조건에서 외부 슬릿 폭에 따른 유속분포 해석 결과이다. 해석결과 외부 슬릿의 두께가 좁을수록 유동의 균일도가 향상되는 것으로 나타났다. 입구 경계조건에서의 평균 압력은 case 0: 120.
해석결과 외부 슬릿의 평균 상대오차는 1.47%로 간격이 조밀하게 타공한 내부 슬릿 추가하여 해석한 결과(case i3)보다 약 43%, 내부 슬릿 추가 없이 외부 슬릿의 두께를 3.0 mm로 고려하여 해석한 결과(case o3) 보다 약 8.9% 평균 상대오차 기준으로 향상되었음을 확인하였다. Table 6은 각각의 외부 슬릿의 유속을 보여주고 있다.

후속연구

모든 슬릿의 평균 속도에 대한 시험과 수치해석 결과의 상대오차는 1% 미만으로 매우 일치하는 경향을 보였다. 본 연구에서 설계된 노즐을 이용하여 연기차단 효과를 검토할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방화문 등 출입구에 설치되는 에어커튼 노즐의 역할은 무엇인가?	화재발생시 가장 큰 인명피해를 유발시키는 연기가 안전한 구역으로의 유입되는 것을 차단하기 위해 방화문 등 출입구에 설치되는 에어커튼 노즐의 최적 설계를 수행하였다. 이러한 목적을 위하여 모델링, 수치해석, 제품 제작 및 시험을 통한 검증 등이 수행되었다.
	에어커튼 노즐 제트는 노즐 길이방향으로 균일한 유속을 확보하는 것이 유리한 이유는 무엇인가?	화재연기는 부력으로 인하여 공간의 천장벽을 타고 전파되는 모멘템을 가지고 있는데, 에어커튼 노즐에서 방출되는 유속이 균일 하지 않고 유속이 낮은 영역이 있을 경우 연기의 침입에 취약할 수 있으므로, 차연을 위한 에어커튼 노즐 제트는 노즐 길이방향으로 균일한 유속을 확보하는 것이 가장 유리하다. 노즐의 최적 설계를 위한 수치해석 프로그램은 Mentor Graphics사의 FloEFD V14.
	공공건물이나 상업용 건물 및 지하역사 등에서 차단막을 형성하는 에어커튼 장치가 이용되는 이유는 무엇인가?	공공건물이나 상업용 건물 및 지하역사 등에 화재가 발생할 경우 화재연기를 제어하기 위하여 연기를 배출하는 배연설비와 연기의 침입을 저지하는 가압설비 등이 운영되고 있다. 이러한 건물등의 경우 사람들의 출입이 빈번한 경우에는 출입문을 열어 놓는 경우가 많으며 외기의 침입 및 냉/난방 에너지 손실을 줄이기 위하여 차단막을 형성하는 에어커튼 장치가 이용된다. 최근에는 에어커튼을 화재 연기의 차단을 위하여 활용되고 있으며 화재연기를 에어커튼 또는 에어제트를 이용하여 제어하는 연구는 국내외로 수행되고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
Korea Railroad Research Institute, H2K Solutions, Air Curtain System with sided guides for Smoke Prevent Prevention, Korean patent 10-2549219 (2015).
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Development of Standard of Fire Detector in Railway Tunnel and Safety-Zone Technology in Underground Station (2015).
Mentor Graphics Corporation, FloEFD Technical Reference, Software Version 14 (2015).
http://www.hs-tech.net/product4.html.

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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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