본 하이브리드노즐은 국부 지점에 집중적으로 분사하기 위해 소화 약제 주위로 워터미스트를 분사하여 커튼과 같이 약제를 가두어 목표 지점에 살포함으로써 소화 성능이 제고 된다. 본 연구에서는 수치해석 연구를 통해 노즐 기단 각 및 워터미스트 노즐 분사 압력이 하이브리드 노즐 성능에 미치는 영향을 워터미스트 및 소화 약제 액적의 평균 분포 반경을 기반으로 정량적으로 비교 분석 하였다. 워터미스트 노즐 실험 결과를 이용하여 수치해서 기법의 타당성을 검증하였으며, 유동장 내 액적 간 충돌, 병합 및 깨짐 등의 거동을 고려하기 위해 정상상태 2-way interaction Discrete Particle Modeling (DPM) 해석을 수행하였다. 분사 압력이 30 bar에서 60 bar로 증가함에 따라 워터미스트 액적의 평균 분포 반경은 약 40 % 감소하는 반면에 소화 약제의 평균 액적 분포 반경은 약 21 % 감소하였다. 또한 기단 각이 $30^{\circ}$에서 $60^{\circ}$로 2배 증가하였을 때 소화 약제의 평균 분포 반경은 약 24 % 증가하였다. 결과적으로 하이브리드 노즐은 워터미스트를 분사를 통해 내부에 분사된 소화 약제를 국부지점 집중적으로 분사하는 데 목적이 있으므로 소화 약제 액적의 평균 분포 반경을 고려하여 워터미스트 분사 압력과 기단 각의 설계가 중요할 것으로 판단된다.
본 하이브리드 노즐은 국부 지점에 집중적으로 분사하기 위해 소화 약제 주위로 워터미스트를 분사하여 커튼과 같이 약제를 가두어 목표 지점에 살포함으로써 소화 성능이 제고 된다. 본 연구에서는 수치해석 연구를 통해 노즐 기단 각 및 워터미스트 노즐 분사 압력이 하이브리드 노즐 성능에 미치는 영향을 워터미스트 및 소화 약제 액적의 평균 분포 반경을 기반으로 정량적으로 비교 분석 하였다. 워터미스트 노즐 실험 결과를 이용하여 수치해서 기법의 타당성을 검증하였으며, 유동장 내 액적 간 충돌, 병합 및 깨짐 등의 거동을 고려하기 위해 정상상태 2-way interaction Discrete Particle Modeling (DPM) 해석을 수행하였다. 분사 압력이 30 bar에서 60 bar로 증가함에 따라 워터미스트 액적의 평균 분포 반경은 약 40 % 감소하는 반면에 소화 약제의 평균 액적 분포 반경은 약 21 % 감소하였다. 또한 기단 각이 $30^{\circ}$에서 $60^{\circ}$로 2배 증가하였을 때 소화 약제의 평균 분포 반경은 약 24 % 증가하였다. 결과적으로 하이브리드 노즐은 워터미스트를 분사를 통해 내부에 분사된 소화 약제를 국부지점 집중적으로 분사하는 데 목적이 있으므로 소화 약제 액적의 평균 분포 반경을 고려하여 워터미스트 분사 압력과 기단 각의 설계가 중요할 것으로 판단된다.
The fire extinguishing performance of hybrid nozzle systems is improved by injecting an extinguishing agent concentrically into the target site and, in this study, water mist is used as a water curtain to confine the droplets of the agent. In this study, we numerically investigated the effect of the...
The fire extinguishing performance of hybrid nozzle systems is improved by injecting an extinguishing agent concentrically into the target site and, in this study, water mist is used as a water curtain to confine the droplets of the agent. In this study, we numerically investigated the effect of the foundation angle and injection pressure on the performance of a hybrid nozzle by evaluating the mean radius of the volume fractions of the agent and water mists. An experiment involving a water mist nozzle was carried out to validate the numerical method and then the droplet behaviors, e.g., stochastic collision, coalescence and breakup, were calculated with 2-way interaction Discrete Particle Modeling (DPM) in the steady state for the hybrid nozzle system. The mean radius of the water mists increased by about 40 %, whereas that of the agent decreased by about 21 %, when the injection pressure was increased from 30 bar to 60 bar. In addition, the mean radius of the agent increased by about 24 % as the foundation angle of the hybrid nozzle head increased from $30^{\circ}$ to $60^{\circ}$. As a result, it can be inferred that the injection angle and pressure are important factors for hybrid water mist designs.
The fire extinguishing performance of hybrid nozzle systems is improved by injecting an extinguishing agent concentrically into the target site and, in this study, water mist is used as a water curtain to confine the droplets of the agent. In this study, we numerically investigated the effect of the foundation angle and injection pressure on the performance of a hybrid nozzle by evaluating the mean radius of the volume fractions of the agent and water mists. An experiment involving a water mist nozzle was carried out to validate the numerical method and then the droplet behaviors, e.g., stochastic collision, coalescence and breakup, were calculated with 2-way interaction Discrete Particle Modeling (DPM) in the steady state for the hybrid nozzle system. The mean radius of the water mists increased by about 40 %, whereas that of the agent decreased by about 21 %, when the injection pressure was increased from 30 bar to 60 bar. In addition, the mean radius of the agent increased by about 24 % as the foundation angle of the hybrid nozzle head increased from $30^{\circ}$ to $60^{\circ}$. As a result, it can be inferred that the injection angle and pressure are important factors for hybrid water mist designs.
본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 노즐 형상 및 분사 압력이 하이브리드 노즐 성능에 미치는 영향을 정량적 분석하였다. 단공 워터미스트 노즐에 대한 실험 연구를 통해 수치해석 기법 타당성을 검증하였으며, 수치해석 결과를 이용하여 하이브리드 노즐의 분사 반경을 비교 분석하였다.
가설 설정
1절 참조)와 동일하게 적용하였다. 또한 하이브리드 노즐의 형상이 해석 영역에 비해 매우 작아 하이브리드 노즐이 영역 내 유동에 미치는 영향이 없다고 가정하여 본체는 모델링에서 제외하였다. 소화 약제로서 FM200을 사용하였으며, FM200의 노즐에서의 질량유량은 0.
제안 방법
본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 노즐 형상 및 분사 압력이 하이브리드 노즐 성능에 미치는 영향을 정량적 분석하였다. 단공 워터미스트 노즐에 대한 실험 연구를 통해 수치해석 기법 타당성을 검증하였으며, 수치해석 결과를 이용하여 하이브리드 노즐의 분사 반경을 비교 분석하였다.
대상 데이터
하이브리드 노즐에 설치되는 단공 워터미스트 노즐의 노즐 직경 및 분사 압력을 변화시키며 Parameter study를 수행하였다. 노즐의 출구 직경이 각각 0.6 mm, 0.8mm, 1.0 mm, 1.2 mm 인 4 개의 노즐을 이용하였으며, 분사 압력은 10 bar, 20 bar, 30 bar, 40 bar, 50 bar로 증가시키며 총 20 Case에 대한 실험을 수행하였다. 각 실험 Case에 대해 10번의 반복 수행하였으며 이에 대한 평균값을 이용하여 결과를 분석하였다.
6는 하이브리드 노즐의 개략도를 보여준다. 본 연구에서 하이브리드 노즐의 전체 외경과 하단 부 내경은 각각 40 mm와 60mm 이며, 소화 약제 분사 노즐의 직경은 20 mm로 고정하였다. 하이브리드 노즐 형상이 워터미스트의 분사 특성에 미치는 영향 분석하기 위해 워터미스트 노즐 직경은 0.
데이터처리
3차원, 비압축성, 정상상태(Steady state) 해석을 수행하였으며, 수치계산은 범용 해석 프로그램인 ANSYS FLUENT v14.5를 이용하였으며 해석 수렴 여부를 판단하기 위한 residual 기준으로서 유동 변수에 대해 1E-4을 적용하였고 노즐 출구로부터 1 m 지점아래에 3 개의 관찰 지점(monitoring point)을 설정하여 해당 지점의 속도 및 SMD 값의 최근 100 iteration step의 평균에 대한 최대 편차(deviation) 값이 2 % 이내 일 경우 결과가 준정상태인 것으로 판단하였다.
이론/모형
대기 중으로 분사된 액적의 물질 및 열전달을 없는 것으로 가정하여 열전달 해석은 수행하지 않았으며, 표준 k-ε 난류 모델을 이용하여 난류 유동 장을 계산하였다. 또한 Discrete Particle Modeling (DPM) 기법을 통해 유 동장 내 액적 분열 및 거동을 분석하였으며, Saffman lift force, virtual mass force, pressure gradient force 효과를 운동량 방정식에 적용하여 유동 및 액적 간 2-way interaction 운동량 해석을 수행하였다.
성능/효과
1) 하이브리드 노즐 해석결과는 실험과 비교했을 때평균유효직경인 SMD 오차가 약 6% 이내로 비교적 정확하게 예측하는 것을 확인하였다.
2) 분사 압력이 증가함에 따라 워터미스트 액적의 평균 분포 반경은 약 40 % 감소하는 반면에 소화 약제의 평균 액적 분포 반경은 약 21 % 감소하였다.
3) 기단 각이 2 배 증가하였을 때 소화 약제의 평균 분포 반경은 약 24 % 증가하며, 워터미스트의 평균 분포 반경은 거의 변화하지 않는다.
후속연구
결과적으로 하이브리드 노즐은 워터미스트를 분사를 통해 내부에 분사된 소화 약제를 국부지점 집중적으로 분사하는 데 목적이 있으므로 소화 약제 액적의 평균 분포 반경을 고려하여 워터미스트 분사 압력과 기단 각의 설계가 중요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하이브리드 노즐은 어떤 형태로 청정소화약제를 분사하도록 설계되는가?
하이브리드 노즐은 청정소화약제 분사 시 소화 목표지점에 한해 밀폐도를 순간적으로 향상시키기 약제 주변으로 워터미스트를 커튼 형태로 동시에 분사되도록 설계된다. 하이브리드 노즐은 소화 약제 노즐 주위로 다수의 워터미스트 노즐이 결합되어 냉각효과, 질식 효과 및 복사열 차단 효과와 함께 내부에서 분사 되는 소화 약제의 소화 성능을 극대화 시킨다.
일반 건축물 내 주방시설의 소화 시스템에 전역 방출 방식 보다는 국소 방출 방식의 소화 설비가 필요한 이유는 무엇인가?
초기 발화 지점이 전기 시설 및 발전 시설 내로 한정 될 경우 유류 화재 및 전기 화재 진화 목적의 청정 소화 약제를 이용한 가스계 소화 시스템이 주고 적용 된다[3]. 또한, 대규모 산업 시설뿐만 아니라 일반 건축물 내 주방 시설의 경우에도 전체 건축물에 비해 발화 공간의 면적이 상대적으로 작아 전역 방출 방식 보다는 국소 방출 방식의 소화 설비를 필요로 한다. 이러한 가스계 소화 설비의 경우 소화 약제량, 배관 내의 일정한 다상 유동(Multi-phase flow) 특성 및 방호구역의 밀폐 정도 등을 일정 조건으로 유지해야 한다[4-5].
하이브리드 노즐은 어떻게 소화 약제의 성능을 극대화 시키는가?
하이브리드 노즐은 청정소화약제 분사 시 소화 목표지점에 한해 밀폐도를 순간적으로 향상시키기 약제 주변으로 워터미스트를 커튼 형태로 동시에 분사되도록 설계된다. 하이브리드 노즐은 소화 약제 노즐 주위로 다수의 워터미스트 노즐이 결합되어 냉각효과, 질식 효과 및 복사열 차단 효과와 함께 내부에서 분사 되는 소화 약제의 소화 성능을 극대화 시킨다. 따라서 워터미스트의 분사 특성 및 노즐과 소화 목표 지점사이의 거리에 따른 분사 반경은 하이브리드 노즐 성능과 밀접한 관련이 있다.
참고문헌 (7)
L. Zhigang, K. K. Andrew, "A Review of Water Mist Fire Suppression Systems-Fundamental Studies", J. of Fire Prot. Engr., vol. 10, no. 3, pp. 32-50, 2000. DOI: https://doi.org/10.1177/104239159901000303
S. C. Kim and H. S. Ryou, "The Effects of Water Mist on the Compartment Fire", International Journal of Air- Conditioning and Refrigeration, vol. 15, no. 4, pp. 30-36, 2003.
D. Gross, "Data sources for Parameters Used in Predictive Modeling of Fire Growth and Smoke Spread", NIST, Building and Fire Research Laboratory, NBSIR, pp. 85-3223, 1985. DOI: https://doi.org/10.6028/NBS.IR.85-3223
C. C. Ndubizu, R. Ananth, P. A. Tatem, and V. Motevalli, "On Water Mist Fire Suppression Mechanisms in a Gaseous Diffusion Flame", Fire Safety Journal, vol. 31, pp. 253-276, 1998. DOI: https://doi.org/10.1016/S0379-7112(98)00007-1
W. K. Chow, and B. Yao, "Numerical Modeling for Interaction of a Water Spray with Smoke Layer", Numerical Heat Transfer, Part A., vol. 39, pp. 267-283, 2001. DOI: https://doi.org/10.1080/104077801300006580
K. B. McGrattan, H. R. Baum, and R. G. Rehm, "Numerical simulation of smoke plumes from large oil fires", Atmospheric Environment, vol. 30, no. 24, pp. 4125-4136, 1996. DOI: https://doi.org/10.1016/1352-2310(96)00151-3
G. A. Tanner and K. F. Knasiak, "Water Mist Simplification Effects on Fire Suppression Modeling: A Challenge to the Industry", 20th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, pp. 1-8, 2007.
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