[논문]밀폐된 구획실의 체적변화가 최대 열발생률에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구

윤홍석; 남동군; 황철홍

doi:10.7731/kifse.2017.31.5.019

밀폐된 구획실의 체적변화가 최대 열발생률에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구
A Numerical Study on the Effect of Volume Change in a Closed Compartment on Maximum Heat Release Rate 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.5, 2017년, pp.19 - 27

윤홍석 (대전대학교 대학원 방재학과) , 남동군 (한국소방산업기술원 소방기술연구소) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과)

초록
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밀폐된 구획실 화재에서 화원의 면적 및 위치, 화재성장률, 구획 체적의 변화가 열발생률을 포함한 주요 화재특성에 미치는 영향이 검토되었다. 이를 위해 닫힌 개구부가 적용된 ISO 9705 화재실을 대상으로 Fire Dynamics Simulator (FDS)를 활용한 화재시뮬레이션이 수행되었다. 주요 결론으로서, 화원의 면적 및 위치의 변화는 최대 열발생률, 총 열량, 상층부의 최대 온도 및 화학종 농도를 포함한 구획 내의 열적 특성과 화학적 특성에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다. 그러나 화재성장률과 구획 체적의 증가는 최대 열발생률 및 총 열량의 증가를 가져오며, 한계산소농도의 감소 및 최대 CO 농도의 증가를 발생시킨다. 마지막으로 화재성장률과 구획 체적의 함수로 표현된 최대 열발생률의 상관식을 도출하여, 밀폐된 구획실 화재에 대한 화재성장곡선의 적용을 위한 방법론이 제안되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of changes in area and location of fire source, fire growth rate, and volume of compartment on the major fire characteristics, including heat release rate, in closed compartment fires were examined. To this end, a fire simulation using Fire Dynamics Simulator (FDS) was performed for ISO 9705 room with a closed opening. As main result, it was found that the changes in the area and location of fire source did not significantly affect the thermal and chemical characteristics inside the compartment, such as maximum heat release rate, total heat release, maximum temperature at upper layeras well as species concentrations. However, increasinthe fire growth rate and volume of compartment resulted in increase of the maximum heat release rate and total heat release, decrease in the limiting oxygen concentration and increase in the maximum CO concentration. Finally, a methodology for the application of fire growth curves to closed compartment fires was proposed by deriving the correlation of the maximum heat release rate expressed as a function of the fire growth rate and the volume ratio of compartment based on the ISO 9705 room.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Design curve deducted from experimental data and predicted heat release rates with or without opening.
그림 Figure 2. Schematic of ISO 9705 room with a closed opening.
표 Table 1. Numerical Conditions Considered in the Present Study
그림 Figure 3. Comparisons of heat release rate, total heat release and maximum temperature at upper layer with the change in area of fire source.
그림 Figure 4. Comparisons of maximum heat release rate, total heat release and maximum temperature at upper layer with the change in location of fire source.
그림 Figure 5. Comparisons of heat release rate, total heat release and maximum temperature at upper layer with the change in fire growth rate.
$Figure 6. Comparisons of O<sub>2</sub> and CO volume fraction with the change in fire growth rate.$ 그림 Figure 6. Comparisons of O₂ and CO volume fraction with the change in fire growth rate.
그림 Figure 7. Comparisons of heat release rate, total heat release and maximum temperature at upper layer with the change in volume ratio based ISO 9705 room (the fire growth rate was fixed at fast).
$Figure 8. Comparisons of O<sub>2</sub> and CO volume fraction with the change in volume ratio based ISO 9705 room.$ 그림 Figure 8. Comparisons of O₂ and CO volume fraction with the change in volume ratio based ISO 9705 room.
그림 Figure 9. Relationship and correlation between maximum heat release rate and volume ratio based on ISO 9705 room.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 배경 하에, 본 연구에서는 밀폐된 구획실에서 화원의 면적 및 위치, 화재성장률, 구획 체적의 변화가 화재 특성에 미치는 영향에 관한 수치해석을 수행하였다. 구체적으로 이들 조건에 따른 최대 열발생률, 총 열량, 상층부의 최대온도, 그리고 O₂ 및 CO 농도 변화에 대한 검토가 이루어졌다.

제안 방법

본 연구에서는 밀폐된 단일 구획실 화재에서 화원의 면적 및 위치, 화재성장률, 구획 체적의 변화가 최대 열발생률, 총 열량 및 상층부 최대 온도 등의 주요 화재특성에 미치는 영향에 관한 시뮬레이션이 수행되었다. 또한 화재성장률 및 구획 체적의 함수로 표현된 최대 열발생률의 상관 식을 도출함으로써, 밀폐된 구획실 화재에 대한 화재성장곡선 적용을 위한 방법론이 제안되었다. 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 밀폐된 단일 구획실 화재에서 화원의 면적 및 위치, 화재성장률, 구획 체적의 변화가 최대 열발생률, 총 열량 및 상층부 최대 온도 등의 주요 화재특성에 미치는 영향에 관한 시뮬레이션이 수행되었다. 또한 화재성장률 및 구획 체적의 함수로 표현된 최대 열발생률의 상관 식을 도출함으로써, 밀폐된 구획실 화재에 대한 화재성장곡선 적용을 위한 방법론이 제안되었다.

대상 데이터

밀폐된 단일 구획실로는 Figure 2에서와 같이 개구부가 닫힌 ISO 9705 내부 형상이 고려되었으며, 화재시뮬레이션을 위해 대표적인 Field 모델인 FDS Version 6.5.3⁽²⁾이 사용되었다. 점화 이후 구획실 내부의 압력상승으로 인한 압축성 효과를 최소화시키기 위하여, 개구부 바닥면에 NFSC501A⁽¹⁷⁾를 근거로 0.
3⁽²⁾이 사용되었다. 점화 이후 구획실 내부의 압력상승으로 인한 압축성 효과를 최소화시키기 위하여, 개구부 바닥면에 NFSC501A⁽¹⁷⁾를 근거로 0.020 m²의 누설틈새 면적이 적용되었다. 연료로는 헵탄이 사용되었으며, 정사각형 단면형상을 갖는 화원이 적용되었다.

성능/효과

(1) 밀폐된 ISO 9705 화재실에서 화원의 면적 및 위치의 변화는 최대 열발생률, 총 열량, 상층부의 최대 온도를 포함한 구획 내의 열적 특성과 화학적 특성에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다.
(2) 동일한 화원의 면적 및 위치의 조건에서, 화재성장률이 증가됨에 따라 최대 열발생률, 총 열량 및 상층부의 최대 온도는 점차적으로 증가됨을 확인하였다. 또한 화재성장률의 증가로 인한 구획 내부의 온도 증가는 소염이 발생되는 한계산소농도의 감소 및 최대 CO 농도의 증가를 발생시킨다.
(3) ISO 9705 화재실을 기준으로 동일한 형상비의 축소 및 확대를 통한 구획 체적비(V_r )의 변화는 최대 열발생률과 총 열량의 증가를 가져오지만, V_r≥1.0의 조건에서 상층부 최대 온도의 큰 변화는 발생되지 않는다. 구획 체적의 증가에 따른 천장 높이의 증가는 연층이 화염대에 도달하는 시간을 지연시키고, 화원 근처에서 상대적으로 높은 O₂ 농도를 유지시키게 한다.
(4) 밀폐된 구획화재에서 화재성장률과 구획 체적비의 함수로 표현된 최대 열발생률의 상관식을 도출하였다. 이를 통해 국내 PBD에서 닫힌 개구부가 적용된 밀폐된 구획화재의 시뮬레이션을 위한 화재성장곡선 적용에 대한 명확한 기준을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

그 결과 구획 체적이 증가될 때 하층부에서는 높은 반응속도를 갖는 연소과정이 진행될 수 있다. 물론 이에 대한보다 구체적인 해석을 위해서는 구획 체적변화에 따른 연소생성물과 공기의 혼합과 관련된 내부 유동구조의 분석이 요구된다. 또한 본 연구에서 제한적으로 고려된 동일한 구획 형상비와 더불어 천장 높이가 고정된 조건에서 다양한 형상 및 체적변화에 대한 검토가 수행되어야 할 것이다.
이를 통해 국내 PBD에서 닫힌 개구부가 적용된 밀폐된 구획화재의 시뮬레이션을 위한 화재성장곡선 적용에 대한 명확한 기준을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 천장 높이가 고정된 다양한 구획 형상 및 체적변화가 최대 열발생률에 미치는 영향이 검토될 예정이다.
구체적으로 문헌을 통해 인용될 수 있는 화재시나리오에 따른 가연물의 화재성장률과 본 연구에서 제안한 상관식을 통한 설계 건축물의 구획체적에 따른 최대 열발생률을 적용하여 화재성장곡선을 도출하는 것이다. 향후 다양한 형상비를 갖는 구획체적 변화에 따른 화재특성 및 상관식 보완에 대한 연구가 진행될 예정이며, 궁극적으로 국내 PBD의 화재시뮬레이션 결과 활용에 대한 신뢰성 강화에 기여하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 소방안전에 대한 성능위주설계(Performance-Based Design, PBD)는 어떤것을 고려하여 평가하는가?	국내에서 2011년 이후 시행되고 있는 소방안전에 대한 성능위주설계(Performance-Based Design, PBD)에는 특정소방대상물의 용도, 구조, 수용인원, 가연물의 종류 및 양 등을 고려하여 공학기반의 화재안전 성능평가기법이 적용되고 있다. 구체적으로 화재시뮬레이션을 통해 예측되는 허용피난시간(Available Safe Egress Time, ASET)이 피난시뮬레이션에 의해 예측되는 요구피난시간(Required Safe Egress Time, RSET)보다 클 때, 건축물이 화재로부터 안전하다는 Timeline 분석이 적용되고 있다.
	화재성장률과 구획 체적비의 함수로 표현된 최대 열발생률 상관식을 도출하여 얻는 기대효과는?	(4) 밀폐된 구획화재에서 화재성장률과 구획 체적비의 함수로 표현된 최대 열발생률의 상관식을 도출하였다. 이를 통해 국내 PBD에서 닫힌 개구부가 적용된 밀폐된 구획화재의 시뮬레이션을 위한 화재성장곡선 적용에 대한 명확한 기준을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 천장 높이가 고정된 다양한 구획 형상 및 체적변화가 최대 열발생률에 미치는 영향이 검토될 예정이다.
	화재시뮬레이션을 통해 화재로부터 안전하다는 것의 기준은 무엇인가?	국내에서 2011년 이후 시행되고 있는 소방안전에 대한 성능위주설계(Performance-Based Design, PBD)에는 특정소방대상물의 용도, 구조, 수용인원, 가연물의 종류 및 양 등을 고려하여 공학기반의 화재안전 성능평가기법이 적용되고 있다. 구체적으로 화재시뮬레이션을 통해 예측되는 허용피난시간(Available Safe Egress Time, ASET)이 피난시뮬레이션에 의해 예측되는 요구피난시간(Required Safe Egress Time, RSET)보다 클 때, 건축물이 화재로부터 안전하다는 Timeline 분석이 적용되고 있다.(1) 국내 PBD에서는 화재시뮬레이션을 위하여 대표적인 화재모델인 Fire Dynamics Simulator (FDS)(2)가 주로 활용되고 있으며, 이때 ASET은 호흡한계선에서의 온도, CO 및 가시도가 인명안전 기준에 도달하는 시간에 의해 결정된다.

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저자의 다른 논문 :

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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