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FDS의 연소모델에 따른 풀화재의 화염높이 비교
Comparison of the Flame Height of Pool Fire according to Combustion Models in the FDS 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.3, 2018년, pp.42 - 50  

한호식 (대전대학교 소방방재학과) ,  황철홍 (대전대학교 소방방재학과) ,  오창보 (부경대학교 안전공학과) ,  최동원 (한국원자력안전기술원 계통평가실) ,  이상규 (한국원자력안전기술원 계통평가실)

초록
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Large Eddy Simulation (LES) 기반의 Fire Dynamics Simulator (FDS) Version(5와 6)에 따른 아격자 난류 및 연소모델의 변화가 헵탄 풀화재의 평균 화염높이에 미치는 영향이 검토되었다. 화재시뮬레이션을 위한 열발생률은 동일한 조건에서 수행된 실험을 통해 제공되었으며, FDS Version에 따른 평균 화염높이의 예측성능은 기존 상관식과의 비교를 통해 평가되었다. FDS 5와 6에 각각 적용된 Smagorinsky 및 Deardorff 난류 모델은 평균 유동장, 화염형상 및 화염높이에 큰 영향을 주지 않는다. 그러나 평균 화염높이를 포함한 풀화재 특성 차이는 주로 FDS 5와 6에 각각 적용된 혼합분율 및 Eddy Dissipation Concept (EDC) 연소모델 차이로 인하여 발생됨을 확인하였다. 마지막으로 FDS 6에 비해 FDS 5는 상당히 긴 화염높이의 예측결과를 제공하며, 기존 상관식과 보다 일치하는 평균 화염높이 예측이 가능함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effect of sub-grid turbulence and combustion models on the mean flame height in a heptane pool fire according to the Fire Dynamics Simulator (FDS) version (5 and 6) based on Large Eddy Simulation (LES) was examined. The heat release rate for the fire simulation was provided through experiments p...

주제어

표/그림 (11)

AI 본문요약
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문제 정의

  • LES가 적용된 Fire Dynamics Simulator (FDS)의 Version (5와 6)에 따른 아격자 난류 및 연소모델의 변화가 헵탄 풀화재의 평균 화염높이에 미치는 영향이 검토되었다. 화재 시뮬레이션의 주요 입력정보인 단위 면적당 열발생률은 동일한 조건의 실험을 통해 제공되었으며, FDS Version에 따른 평균 화염높이의 예측성능은 기존의 상관식과의 비교를 통해 평가되었다.
  • 본 연구에서는 FDS Version에 따른 화염높이의 정량적 차이를 확인하기 위하여, 개방된 공간에서 헵탄 풀화재에 대한 시뮬레이션이 수행되었다. 구체적으로 FDS Version 5 와 6의 변경에 따라 수치 해에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 아격자 난류 및 연소모델에 대한 영향이 검토되었다.
  • 0 의 조건 에서 상관식에 따라 다소 차이를 보인다는 연구결과 (17) 에서도 확인되었다. 이에 본 연구에서는 임의로 Zukoski의 식에 의한 평균 화염높이를 수치결과와 비교하였다.

가설 설정

  • 에 의해 제안된 방법이 동시에 적용되었다. 즉, 반경방향으로 적분된 단위체적당 열발생률을 수직높이의 함수로 표현하고, 이를 수직높이에 따라 적분할 때 총 열발생률의 비율이 95%가 되는 위치를 평균 화염높이로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이론적으로 화염높이는 무엇을 의미하는가? 또한 화염에 근접한 주요 설비 및 건축 구조물의 내화성능 관점에서, 화염높이는 화재안전과 직접적으로 연관된 주요 물리량이라할 수 있다. 이론적으로 화염높이는 연료 표면에서 혼합분율을 통해 산출되는 양론혼합비(Stoichiometric mixturefraction, )의 수직 높이라 할 수 있다. 그러나 상대적으로 작은  수를 갖는 부력이 지배적인 화재에서의 화염은 주기적으로 진동하기 때문에, 이를 정량화시키기 위한 다양한 평균 화염높이의 정의, 측정법 및 상관식들이 제안되었다(12).
화재에서 주로 발생되는 비예혼합화염의 길이는 무엇에 영향을 받는가? 화재에서 주로 발생되는 비예혼합화염의 길이는 연료의 종류, 이론 공연비, 화원의 크기 및 연료/공기의 공급 유량(속도) 등에 의해 주로 영향을 받으며, 구획화재의 경우에플래시오버(Flashover) 및 출화(Exhaust fire) 시기, 상층부의 온도 및 농도에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 또한 화염에 근접한 주요 설비 및 건축 구조물의 내화성능 관점에서, 화염높이는 화재안전과 직접적으로 연관된 주요 물리량이라할 수 있다.
실규모 화재실험 결과를 통해 다양한 화재모델에 대한 검증 연구를 통해 권장되는 신뢰성이 있는 대표 모델은 무엇인가? 최근 미국 원자력규제위원회(NRC)와 전력연구소(EPRI)를 중심으로 실규모 화재실험 결과를 통해 다양한 화재모델에 대한 검증 연구(NUREG-1824)가 이루어졌으며, 객관성 확보를 위하여 신뢰성이 검토된 주요 화재모델들의 사용이 권장되었다(1). 이중 대표적인 Field 모델인 Fire Dynamics Simulator (FDS) (2)는 비정상 3차원 화재현상의 예측이 가능하며, 화원의 정보 및 다양한 화재조건을 보다 효율적으로 고려할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또한 다른 화재모델과 비교할 때,FDS는 많은 연구자에 의한 실험과의 비교 · 검증(3,4) 그리고 개발자의 지속적인 화재모델 개선(5)으로 불확실성이 매우 높은 화재시뮬레이션 결과의 신뢰성이 상대적으로 크다는 장점을 갖고 있다.
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참고문헌 (30)

  1. NRC and EPRI, "Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications", NUREG-1824 and EPRI 1011999, Finial Report (2007). 

  2. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk and K. Overholt, "Fire Dynamics Simulator: User's Guide", NIST SP 1019, Sixth Edition, NIST, Gaithersburg, MD (2015). 

  3. C. H. Hwang, A. Lock, M. Bundy, E. Johnsson and G. H. Ko, "Studies on Fire Characteristics in Over- and Underventilated Full-scale Compartment", Journal of Fire Science, Vol. 28, pp. 459-486 (2010). 

  4. S. Y. Mun, C. H. Hwang, J. S. Park and K. Do, "Validation of FDS for Predicting the Fire Characteristics in the Multi-Compartments of Nuclear Power Plant (Part I: Over-ventilated Fire Condition)", Journal of Korean Institute Fire Science & Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 31-39 (2013). 

  5. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk and K. Overholt, "Fire Dynamics Simulator, Technical Reference Guide, Volume 3: Validation", NIST SP 1018, Sixth Edition, NIST, Gaithersburg, MD (2014). 

  6. K. McGrattan, B. Klein, S. Hostikka and J. Floyd, "Fire Dynamics Simulator (Version 5): User's Guide", NIST SP 1019-5, NIST, Gaithersburg, MD (2007). 

  7. C. H. Hwang, "Large Eddy Simulation of Turbulent Premixed Flames in a Practical Combustor", Ph.D. Dissertation, Inha University (2006). 

  8. Daejeon University/KINS, "Development of Evaluation Criteria and Demonstration Application for Fire Modeling of Nuclear Power Plant", KINS/HR-1422 (2015). 

  9. J. M. Such, C. Casselman, M. Forestier and H. Pretrel, "Description of the PRISME Experimental Program", DPAM/DIR-2005-117 (2005). 

  10. Le Saux W., "PRISME Door Programe-PRS_D1 Test Report", DPAM/SEREA-2007-015, PRISME-017 (2007). 

  11. B. N. Baek, C. B. Oh, C. H. Hwang and H. S. Yun, "Evaluation of the Prediction Performance of FDS Combustion Models for the CO Concentration of Gas Fires in a Compartment", Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 1, pp. 7-15 (2018). 

  12. B. McCaffrey, "Flame Height" in SFPE Handbook, 2nd Edition, National Fire Protection Association (1995). 

  13. E. E. Zukoski, "Properties of Fire Plume" in Combustion Fundamentals of Fire, Academic Press (1995). 

  14. B. Karlsson and J. G. Quintiere, "Enclosure Fire Dynamics", CRC Press LLC (2000). 

  15. L. Audouin, G. Kolb, J. L. Torero and J. M. Most, "Average Centerline Temperature of a Buoyant Pool Fire Obtained by Image Processing of Video Recordings", Fire Safety Journal, Vol. 24, pp. 167-187 (1995). 

  16. J. L. Consalvi, Y. Pizzo, B. Porterie and J. L. Torero, "On the Flame Height Definition for Upward Flame Spread", Fire Safety Journal, Vol. 42, pp. 384-392 (2007). 

  17. T. G. Ma and J. G. Quintiere, "Numerical Simulation of Axi-symmetric Fire Plumes: Accuracy and Limitations", Fire Safety Journal, Vol. 38, pp. 467-492 (2003). 

  18. J. Smagorinsky, "General Circulation Experiments with the Primitive Equations. I. The Basic Experiment", Monthly Weather Review, Vol. 91, No. 3, pp. 99-164 (1963). 

  19. K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd, H. Baum and R. Rehm, "Fire Dynamics Simulator (Version 5): Technical Reference Guide", NIST SP 1018-5, NIST, Gaithersburg, MD (2007). 

  20. J. W. Deardorff, "Stratocumulus-capped Mixed Layers Derived from a Three-dimensional Model", Boundary-Layer Meteorology, Vol. 18, pp. 495-527 (1980). 

  21. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk and K. Overholt, "Fire Dynamics Simulator, Technical Reference Guide, Volume 1: Mathematical Model", NIST SP 1018-1, Sixth Edition, NIST, Gaithersburg, MD (2015). 

  22. R.W. Bilger, "Turbulent Diffusion Flames", Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 21, pp. 101-135 (1989). 

  23. G. H. Ko, A. Hamins, M. Bundy, E. L. Johnsson, S. C. Kim and D. B. Lenhert, "Mixture fraction Analysis of Combustion Products in the Upper Layer of Reduced-scale Compartment Fires", Combustion and Flame, Vol. 156, pp. 467-476 (2009). 

  24. T. Poinsot and D. Veynante, "Theoretical and Numerical Combustion", 2nd Edition, Edwards (2005). 

  25. V. Babrauskas, "Heat Release Rates" in SFPE Handbook, 3rd Edition, National Fire Protection Association (2002). 

  26. A. Tewarson, "Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires" in SFPE Handbook, 3rd Edition, National Fire Protection Association (2002). 

  27. A. Bounagui, N. Benichou, C. McCartney and A. Kashef, "Optimizing the Grid Size Used in CFD Simulations to Evaluate Fire Safety in Houses", In: 3rd NRC Symposium on Computational Fluid Dynamics, High Performance Computing and Virtual Reality, Ottawa, pp. 1-8 (2003). 

  28. NRC and EPRI, "Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines", NUREG-1934 and EPRI 1023259, Finial Report (2012). 

  29. K. McGrattan, J. Floyd, G. Forney, H. Baum and S. Hostikka, "Improved Radiation and Combustion Routines for a Large Eddy Simulation Fire Model", In: Fire Safety Science-Proceedings of the Seventh International Symposium, Worcester, MA, pp. 827-838 (2003). 

  30. G. Heskestad, "Luminous Heights of Turbulent Diffusion Flame", Fire Safety Journal, Vol. 5, pp. 103-108 (1983). 

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