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문제 정의
- 52%)까지 메탄농도에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 메탄가스의 공기중에서 연소한계 농도는 약 5%에서 15%이지만, 본 논문에 서는 폭발피해 정도에 따는 최소 가스누출량에 살펴보기 위한 것으로 최대폭발압력을 형성하는 메탄가스농도(10%) 이하 범위에서만 살펴보았다.
- 본 연구에서는 앞에서 제시된 모델을 일반화 하여 균일한 임의의 농도로 고립된 가연성 가스운을 형성한 다음 등온 또는 단열과정을 통하여 혼합되는 과정을 거져 건물에 피해을 유발할 수 있는 최악의 사고시나리오를 고찰하고, 이에 따라 현재 가정용 연료로 가장 많이 사용되고 있는 메탄에 대하여 건물의 폭발피해정도에 따른 최소 가스누출량을 제시하고자 한다.
- 앞에서 제시한 폭발 모델의 신뢰성 분석은 등온팽창으로 가정한 것의 타당성과 폭발실험 데이터를 이용하여 최악의 폭발피해를 동반할 수 있는 고립된 메탄-공기 혼합 가스의 농도조건을 밝히고자 한다. 20리터 구형 폭발 반응기로 메탄-공기 혼합가스의 폭발실험을 수행하였다.
가설 설정
- 1999년에 밀폐된 공간에서 폭발해석을 위한 가우스분포 폭발해석 모델이 발표되었다[3]. 가우스분포 폭발해석 모델을 확장하고 단순화하여 본 모델은 Fig. 1과 같이 일부 고립된 공간에서 가연성가스의 누출속도가 충분히 커서 주변공기와 혼합되어 임의의 균일 농도로 섞인 가스가 밀폐공간 내에 고립되어 있고, 이 고립된 가스가 일정한 부피에서 연소되어 폭발 최대 압까지 상승한 다음 연소 가스는 팽창하고 주변 공기는 압축되는 등온과정을 가정하여 밀폐공간의 메탄가스 폭발압력을 구할 수 있다. 즉 밀폐공간의 부피를 V로 하고, 임의의 농도로 고립된 가스의 부피를 V'로 하면, 폭발 후 최종도달압력은 식 (1)과 같다.
- 등온폭발모델은 연소 후 등온팽창으로 가정하여 최종 폭발압력을 계산할 수 있지만, 실제 현상에서는 외부로부터 열 전달속도와 팽창속도를 고려하면 등온팽창과 단열팽창의 중간정도의 과정을 거쳐 최종 압력이 형성될 것으로 예상된다. 극한 조건인 단열팽창과정을 가정한 것을 본 연구에서는 단열팽창폭발 모델로 나타내었다.
- 26%이다. 기존에 제시된 모델은 당량비 즉 9.5%의 메탄농도를 가지는 고립된 혼합가스가 연소 후 8기압으로 상승한 후 등온 팽창하는 것으로 가정하여 계산한 값으로 최소 메탄 누출량은 0.296%이다. 따라서 고립된 혼합가스 중의 메탄가스 농도를 8%로 산출한 건물이 완전히 붕괴할 수 있는 피해를 동반하는 최소 메탄가스 누출량은 메탄농도 9.
- 밀폐된 공간에서 누출된 가스가 임의의 균일농도로 고립된 가스운을 형성한 다음 폭발 후 혼합 과정으로 가정하여 폭발압력을 예측할 수 있다.
- 가장 보수적인 폭발사고 시나리오는 메탄농도가 8%인 고립된 가연성 혼합 가스 운의 연소 후 등온팽창하여 평형 폭발압력을 형성하는 것이다. 상기의 시나리오를 가정하여 건물의 피해정도에 따른 메탄가스의 최소 누출량을 밀폐공간의 부피에 따라 나타내었다. 따라서 밀폐 공간의 부피에 따른 피해정도를 고려하여 안전장치가 작동하기 까지 허용 가능한 매탄가스 누출량을 쉽게 예측할 수 있다.
- 는 임의의 메탄농도(C')의 메탄가스가 일정한 부피에서 폭발할 때 발생하는 압력이다. 이와 같이 밀폐공간에서 연소된 가스의 등온팽창으로 가정한 모델을 등온팽창폭발모델로 나타내었다.
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