[논문]모사된 화재의 열적환경에서 FDS를 이용한 온도 예측오차에 관한 수치해석 연구

한호식; 김봉준; 황철홍

doi:10.14346/jkosos.2017.32.2.14

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical study was conducted to identify the predictive performance for the bare-bead thermocouple (TC) using FDS (Fire Dynamics Simulator) in simulated thermal environments of fire. A relative prediction bias of TC temperature calculated from reverse-radiation correction by FDS was evaluated wit...

A numerical study was conducted to identify the predictive performance for the bare-bead thermocouple (TC) using FDS (Fire Dynamics Simulator) in simulated thermal environments of fire. A relative prediction bias of TC temperature calculated from reverse-radiation correction by FDS was evaluated with the comparison of previous experimental data. As a result, it was identified that the TC temperatures predicted by FDS were lower than the temperatures measured by bare-bead TC for the ranges of heat flux and gas temperature considered. The relative prediction bias of TC temperature by FDS was gradually increased with the increase in radiative heat flux and also significantly increased with the decrease in the gas temperature. Quantitatively, at the gas temperature of $20^{\circ}C$, the TC temperature predicted by FDS had the relative bias of approximately -20% with the radiative heat flux of $20kW/m^2$ corresponding to thermal radiation level of the flashover. It is predicted from the present study that more accurate validation of fire modeling will be possible with the quantitative prediction bias occurred in the process of reverse-radiation correction of temperature predicted by FDS.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 비반응 유동장이 고려된 모사된 화재의 열적환경에서 FDS를 이용한 온도 예측오차를 평가하기 위하여, 실험결과와의 비교․검토가 수행되었다. 구체적으로 FDS에서 제공하고 있는 복사열의 역 보정이 적용된 ‘THERMOCOUPLE’ 기능의 예측 정확도에 대한 평가가 이루어졌다.

제안 방법

본 연구에서는 비반응 유동장이 고려된 모사된 화재의 열적환경에서 FDS를 이용한 온도 예측오차를 평가하기 위하여, 실험결과와의 비교․검토가 수행되었다. 구체적으로 FDS에서 제공하고 있는 복사열의 역 보정이 적용된 ‘THERMOCOUPLE’ 기능의 예측 정확도에 대한 평가가 이루어졌다.
후속 연구로서 본 연구에서는 동일한 실험장치를 대상으로 FDS 수행을 통해 예측된 기체온도와 복사열의 역 보정이 고려된 열전대 온도의 차이를 확인하였다. 또한 노출-비드형 열전대의 실험 측정값을 기준으로 FDS의 역 보정된 온도의 상대차이를 비교함으로써, 복사열에 의한 FDS의 온도 예측 오차를 정량적으로 확인하였다. 본 연구결과는 FDS 예측 온도의 검증 과정에서 복사열에 의한 예측 온도 오차가 배제된, 순수한 수치모델 및 입력 인자의 불확실도에 의한 오차의 규명하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

이론/모형

모사환 화재의 열적 환경에서 FDS에 포함된 복사열 역 보정기능의 예측 정확도를 평가하기 위하여, FDS version 6.1.2¹²⁾가 사용되었다. 계산영역은, Fig.
에너지방정식을 포함한 지배방정식을 통해 최종 산출된 기체온도는, 식 (1)을 통해 복사열의 역 보정¹³⁾이후에 실험의 노출-비드형 열전대와 비교되었다. 참고로 FDS의 후처리 변수로서 ‘TEMPERATURE’와 ‘THERMO COUPLE’은 각각 기체의 온도 및 노출-비드형 열전대의 예측 온도를 나타낸다.

성능/효과

주요 결과로서, 노출-비드형 열전대의 측정결과는 복사 열유속이 증가됨에 따라 공급 기체 및 흡입형 열전대의 측정 온도를 크게 과대 예측하는 결과를 보이고 있다. FDS의 열전대 온도 역시 동일한 경향을 나타내지만, 모든 기체온도 및 열유속 조건에서 실험결과를 과소 예측하고 있음을 확인하였다.
노출-비드형 열전대의 측정 온도에 대한 FDS의 열전대 온도의 상대 차이는 복사 열유속이 증가함에 따라 상당한 증가를 보이며, 공급되는 기체온도가 낮을수록 그 차이는 크게 증가됨을 확인하였다. 정량적으로 기체온도가 20℃일 때, 플래시오버의 발생기준에 해당되는 20 kW/m²의 조건에서 FDS의 열전대 온도는 실험결과를 약 -20%로 과소 예측하고 있다.
주요 결과로서, 노출-비드형 열전대의 측정결과는 복사 열유속이 증가됨에 따라 공급 기체 및 흡입형 열전대의 측정 온도를 크게 과대 예측하는 결과를 보이고 있다. FDS의 열전대 온도 역시 동일한 경향을 나타내지만, 모든 기체온도 및 열유속 조건에서 실험결과를 과소 예측하고 있음을 확인하였다.

후속연구

또한 노출-비드형 열전대의 실험 측정값을 기준으로 FDS의 역 보정된 온도의 상대차이를 비교함으로써, 복사열에 의한 FDS의 온도 예측 오차를 정량적으로 확인하였다. 본 연구결과는 FDS 예측 온도의 검증 과정에서 복사열에 의한 예측 온도 오차가 배제된, 순수한 수치모델 및 입력 인자의 불확실도에 의한 오차의 규명하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 화재공간에서 실험결과의 비교를 통한 FDS의 온도 예측성능을 평가할 때, 제한된 정확도의 복사열 역 보정으로 인한 정량적 오차를 확인하였다. 이를 통해, 화재모델 및 입력 불확실도에 의해 야기되는 온도 예측오차에 대한 보다 정확한 정량적 평가가 가능할 것으로 기대된다.
이러한 결과는 FDS 온도 예측 결과의 보정에 직접적으로 활용될 수는 없지만, 화재 모델의 불확실도 및 다양한 입력인자의 불확실성에 의해 야기되는 FDS의 온도 예측오차를 분석하는데 중요한 정보를 제공할 수 있다. 즉, 특정 위치에서 예측된 복사 열유속을 통해 역 보정된 열전대의 온도가 실험 측정값과 갖는 상대차이를 고려함으로써, 복사열 이외의 다른 중요 인자에 의해 야기되는 예측 온도의 오차를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재분야에서 온도는 어떻게 활용되는가?	화재분야에서 온도는 인명 및 구조물의 안전을 평가하기 위한 기준으로 활용되며, 화재현상의 기본적인 특성을 나타내는 대표적인 열적 물리량이다. 또한 농도와 압력 등과 같은 화재 물리량들에 비해 온도는 편의성 및 경제적 측면에서 가장 보편적으로 측정되고 있다.
	화재분야에서 온도가 가장 보편적으로 측정되는 이유는?	화재분야에서 온도는 인명 및 구조물의 안전을 평가하기 위한 기준으로 활용되며, 화재현상의 기본적인 특성을 나타내는 대표적인 열적 물리량이다. 또한 농도와 압력 등과 같은 화재 물리량들에 비해 온도는 편의성 및 경제적 측면에서 가장 보편적으로 측정되고 있다. 그러나 화재공간에서의 온도는 가연물의 열발생률, 유동특성 그리고 복잡한 경로의 열전달과 상호작 용을 통해 최종 결정되기 때문에, 실험 및 화재모델링 에서 온도의 정확한 측정 및 예측은 현실적으로 많은 어려움이 존재한다.
	화재분야에서 온도를 실험을 통해 측정하고 예측하는데 겪는 어려움은?	또한 농도와 압력 등과 같은 화재 물리량들에 비해 온도는 편의성 및 경제적 측면에서 가장 보편적으로 측정되고 있다. 그러나 화재공간에서의 온도는 가연물의 열발생률, 유동특성 그리고 복잡한 경로의 열전달과 상호작 용을 통해 최종 결정되기 때문에, 실험 및 화재모델링 에서 온도의 정확한 측정 및 예측은 현실적으로 많은 어려움이 존재한다. 특히 화재모델링에서 요구되는 다양한 물리 및 수치적 입력인자의 불확실성으로 예측 온도의 신뢰성 확보는 추가적인 노력을 요구하게 된다.

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