선박사고는 환경적인 요인으로 인해 경사가 항상 존재한다. 선박의 경사는 선내 재실자의 피난 이동속도뿐만 아니라 선내 화재성장에도 영향을 미치기 때문에 화재해석 시 경사조건을 고려하여 위험분석을 할 필요가 있다. 이에 이 연구에서는 FLUENT를 이용하여 선박의 횡경사와 종경사 변화에 따라 산정된 온도결과 값에 의해 화재에 미치는 영향을 분석하였다. 화원의 위치를 기준으로 횡경사가 $-10^{\circ}$일 때 37초, 종경사는 $-10^{\circ}$일 때 36초 이내에 피난을 해야 하는 반면, 횡경사가 $+10^{\circ}$, 종경사가 $+10^{\circ}$인 경우 피난에 영향을 미치지 않을 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로, 선박화재 시 화재발생위치를 기준으로 횡경사와 종경사를 고려하여 피난유도 및 대책을 마련해야함을 확인하였다.
선박사고는 환경적인 요인으로 인해 경사가 항상 존재한다. 선박의 경사는 선내 재실자의 피난 이동속도뿐만 아니라 선내 화재성장에도 영향을 미치기 때문에 화재해석 시 경사조건을 고려하여 위험분석을 할 필요가 있다. 이에 이 연구에서는 FLUENT를 이용하여 선박의 횡경사와 종경사 변화에 따라 산정된 온도결과 값에 의해 화재에 미치는 영향을 분석하였다. 화원의 위치를 기준으로 횡경사가 $-10^{\circ}$일 때 37초, 종경사는 $-10^{\circ}$일 때 36초 이내에 피난을 해야 하는 반면, 횡경사가 $+10^{\circ}$, 종경사가 $+10^{\circ}$인 경우 피난에 영향을 미치지 않을 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로, 선박화재 시 화재발생위치를 기준으로 횡경사와 종경사를 고려하여 피난유도 및 대책을 마련해야함을 확인하였다.
Due to the environmental factors of the sea, ship accidents always contain an inclination angle. The change in the ship affects not only the evacuation speed of passengers but also the fire growth in the ship. For this reason, when analyzing the fire, it is necessary to analyze the risks by consider...
Due to the environmental factors of the sea, ship accidents always contain an inclination angle. The change in the ship affects not only the evacuation speed of passengers but also the fire growth in the ship. For this reason, when analyzing the fire, it is necessary to analyze the risks by considering conditions of inclination. In this study, the temperature that affects the fire was calculated by alteration of ship's heel and trim angle and analyzed using FLUENT. Based on fire occurrence position, evacuation should be done within 37 seconds under the condition of $-10^{\circ}$ heeling angle and 36 seconds under the condition of $-10^{\circ}$ trim angle. However, it was predicted that the evacuation will not be affected under the conditions of $+10^{\circ}$ heel angle and $+10^{\circ}$ trim angle. For these reasons, it is confirmed that when the ship is on fire, evacuation measures should be considered based on the heel and trim conditions as per the location of the fire.
Due to the environmental factors of the sea, ship accidents always contain an inclination angle. The change in the ship affects not only the evacuation speed of passengers but also the fire growth in the ship. For this reason, when analyzing the fire, it is necessary to analyze the risks by considering conditions of inclination. In this study, the temperature that affects the fire was calculated by alteration of ship's heel and trim angle and analyzed using FLUENT. Based on fire occurrence position, evacuation should be done within 37 seconds under the condition of $-10^{\circ}$ heeling angle and 36 seconds under the condition of $-10^{\circ}$ trim angle. However, it was predicted that the evacuation will not be affected under the conditions of $+10^{\circ}$ heel angle and $+10^{\circ}$ trim angle. For these reasons, it is confirmed that when the ship is on fire, evacuation measures should be considered based on the heel and trim conditions as per the location of the fire.
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문제 정의
이에 이 연구에서는 여수↔제주를 운항하는 연안여객선을 연구대상으로 횡경사 및 종경사변화가 화재확산에 미치는 영향을 시뮬레이션을 이용하여 예측 및 분석하였다. 그리고 화원의 위치를 기준으로 선박의 경사조건을 고려한 피난대책 수립 필요성을 제시하는 것을 연구목적으로 한다.
이 연구는 선박화재 시 횡경사 및 종경사변화가 화재확산에 미치는 영향을 예측하고, 경사조건을 고려한 피난대책 수립 필요성을 제시하는 것을 연구목적으로, 15,000톤 급 여객선을 대상으로 FLUENT를 이용하여 화재시뮬레이션을 수행한 것이다. 이 연구 성과를 정리하면 다음과 같다.
17과 18에 나타내었다. 이를 통해, 화재위험성과 선박의 특성을 고려한 피난안전대책 수립 필요성을 제안하고자 한다.
이에 이 연구에서는 여수↔제주를 운항하는 연안여객선을 연구대상으로 횡경사 및 종경사변화가 화재확산에 미치는 영향을 시뮬레이션을 이용하여 예측 및 분석하였다.
가설 설정
142m이다. 그리고 Exit1과 인접하고 있는 선실을 화재발생 위치로 하여, 화재발생 시 Exit 1을 사용하지 못하는 최악의 경우를 가정하였다. 또한 선박의 경사조건 적용 시 선실에 미치는 영향을 파악하기 위하여 모든 문은 열려있는 것으로 설정하였으며, 거주구역의 바닥과 벽면에는 해석시간을 줄이기 위하여 단열조건을 적용하였다.
전체 해석영역에 대하여 화재실 내부유동을 3차원, 비압축성, 비정상상태, 난류유동으로 가정하였고, 난류모델은 화재 시 고온의 공기에 의한 부력생성을 고려하기 위해 Realizable k-ε을 적용하였다.
또한 화재시험에 관한 절차를 규정하고 있는 IMO의 FTP Code를 참고하여, 실험을 위해 버너에 적용할 수 있는 가스 중 하나인 프로판을 연료로 적용하였다(IMO, 2010). 화재에서 발생하는 연소는 완전연소로 가정하였으며, 프로판의 연소열은 50kJ/g이다. 계산을 위한 격자의 형태는 Tetrahedrons로 격자 수는 약 51만 개이다.
제안 방법
수치해석 툴의 화재해석 기법을 검증하기 위하여 Steckler et al.(1982)에 의해 수행된 단일구획화재 실험결과 값과 수치해석 결과 값을 비교하여 보았다. 이 실험은 화원의 발열량 정보와 측정점의 위치 별 온도, 속도 값을 제공하고 있어, 수치해석 툴과 기법 검증을 위해 널리 이용되고 있다(Kim and Lee, 2006; Novozhilov, 2001; Stavrakakis and Markatos, 2009; Xue et al.
4 참조)을 두어 각도에 따른 온도 값을 비교하였다. 그리고 화원의 위치를 기준으로 경사조건에 따른 유효피난경로를 온도 값에 기초하여 제시하였다.
그리고 Exit1과 인접하고 있는 선실을 화재발생 위치로 하여, 화재발생 시 Exit 1을 사용하지 못하는 최악의 경우를 가정하였다. 또한 선박의 경사조건 적용 시 선실에 미치는 영향을 파악하기 위하여 모든 문은 열려있는 것으로 설정하였으며, 거주구역의 바닥과 벽면에는 해석시간을 줄이기 위하여 단열조건을 적용하였다. 그리고 화원의 체적은 0.
또한 화재모델은 화학반응을 따로 고려하지 않고, 화원의 열방출율을 Source term으로 처리하는 VHS(Volumetric heat source) 모델을 적용하였다. 비정상상태 해석에 따른 시간은 1초 간격으로 발화 후 200초까지 계산하였다.
수치해석 대상은 여객선의 데크 중 거주구역이 밀집하여 인명피해가 클 것으로 예상되는 A데크에서 화재 또는 침수와 같은 재난 시 사고확대를 방지하기 위해 40m 이하의 간격으로 선박을 구획하는 주수직구역의 개념을 적용하여 해석대상 영역의 범위를 설정하였다.
이 연구에서는 선박의 횡경사 및 종경사가 화재에 미치는 영향에 대한 해석을 수행하고자 ANSYS사의 Design Modeler를 이용하여 실험조건과 동일한 크기로 모델링 하고, 수치해석에는 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS FLUENT 18.2.0를 이용하여 수치해석 하였다. 화재현상을 수치적으로 모사하기 위하여 적용된 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식, 화학종방정식, 난류운동에너지방정식, 난류운동에너지소산율 방정식으로 다음 식으로 나타낼 수 있다(ANSYS Co, 2018).
하지만 화재사고의 경우, 사고특성상 언제, 어디서 발생할지 모르며 선박의 경사조건에 의해 확산특성이 달라질 수 있기 때문에 이러한 위험성을 인지하여 피난안전대책을 세울 필요가 있다. 이에 이 연구에서는 횡경사 및 종경사 시나리오 적용 시, 기준 온도 값인 60℃에 해당하는 구역과 피난경로를 나타내었다. 앞선 연구결과를 바탕으로, 최대온도 값의 차이가 가장 큰 횡경사 –20°, +10°, 종경사 –10°, +10°일 때의 결과를 Fig.
종경사 조건이 화재에 미치는 영향을 파악하기 위하여 발화 후 300초 일 때, Ⓒ-Ⓓ구역 (Fig. 4 참조)의 온도분포를 확인하였고, Fig. 12에 나타내었다. 선미방향으로 기울어진 경사로 인해 –10°일 때, 선수부분 복도 끝의 온도는 189℃에 도달하지만 10°일 때는 27℃로 Ⓓ방향으로 재실자의 이동이 가능할 것으로 판단되었다.
첫째, 선박에 횡경사 조건을 –20°, -10°, -5°, 0°, 5°, 10° 적용하여 시뮬레이션을 수행하였을 때, Exit2와 Exit3으로 가기 위해 거쳐야 하는 복도의 ②번 측정점에서 ASET을 비교하였다.
화재로 인한 피난 시, 선내 재실자의 주 피난통로가 되고 화원과 가까운 Exit1을 제외한 출구인 Exit2와 Exit3로 가기 위해 거쳐야 하는 복도에 측정점 ①, ②, ③ (Fig. 4 참조)을 두어 각도에 따른 온도 값을 비교하였다. 그리고 화원의 위치를 기준으로 경사조건에 따른 유효피난경로를 온도 값에 기초하여 제시하였다.
화재실 내외부로 출입하는 온도와 속도를 측정하기 위하여 출입구에 열전대와 양방향 속도 프로브를 두었으며, 화원의 체적은 0.027m³이고, 열방출율 값은 62.9㎾이다.
대상 데이터
화재에서 발생하는 연소는 완전연소로 가정하였으며, 프로판의 연소열은 50kJ/g이다. 계산을 위한 격자의 형태는 Tetrahedrons로 격자 수는 약 51만 개이다. 또한 해석은 1초 간격으로, 화재발생 후 300초까지 계산하였다.
125㎥이고, 화원의 열방출율은 500㎾를 적용하였다(Ha and Seo, 2017). 또한 화재시험에 관한 절차를 규정하고 있는 IMO의 FTP Code를 참고하여, 실험을 위해 버너에 적용할 수 있는 가스 중 하나인 프로판을 연료로 적용하였다(IMO, 2010). 화재에서 발생하는 연소는 완전연소로 가정하였으며, 프로판의 연소열은 50kJ/g이다.
이 연구의 수치해석 대상은 여수↔제주 항로로 운행하고 있는 15,000 Ton급 여객선으로, 여객정원은 1,220명이다.
해석대상 영역은 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 길이는 38.325m, 폭은 21.495m이며, 천장의 높이는 2.142m이다. 그리고 Exit1과 인접하고 있는 선실을 화재발생 위치로 하여, 화재발생 시 Exit 1을 사용하지 못하는 최악의 경우를 가정하였다.
이론/모형
(2004)의 연구에서 적용된 시나리오인 횡경사 –20°~+20°, 종경사 0°~+10°을 참고하여 시나리오를 구성하였다.
전체 해석영역에 대하여 화재실 내부유동을 3차원, 비압축성, 비정상상태, 난류유동으로 가정하였고, 난류모델은 화재 시 고온의 공기에 의한 부력생성을 고려하기 위해 Realizable k-ε을 적용하였다. 그리고 복사열전달 해석을 위해 광학두께를 고려해서 DO(Discrete ordinate)모델을, 속도와 압력의 연결은 SIMPLEC 알고리즘을 사용하였다(Maele and Merci ,2009; Węgrzyński and Vigne, 2017). 또한 화재모델은 화학반응을 따로 고려하지 않고, 화원의 열방출율을 Source term으로 처리하는 VHS(Volumetric heat source) 모델을 적용하였다.
그리고 복사열전달 해석을 위해 광학두께를 고려해서 DO(Discrete ordinate)모델을, 속도와 압력의 연결은 SIMPLEC 알고리즘을 사용하였다(Maele and Merci ,2009; Węgrzyński and Vigne, 2017). 또한 화재모델은 화학반응을 따로 고려하지 않고, 화원의 열방출율을 Source term으로 처리하는 VHS(Volumetric heat source) 모델을 적용하였다. 비정상상태 해석에 따른 시간은 1초 간격으로 발화 후 200초까지 계산하였다.
성능/효과
그리고 ②번 위치의 경우는 10°일 때, 기준 온도 값인 60℃에 도달하지 않지만, -10°일 때는 38초 만에 도달하여 각도에 따라 피난에 미치는 영향이 달라질 수 있음을 확인하였다.
3에 출입구 중앙에서의 높이에 따른 온도와 속도분포를 비교하였다. 높이 1.539m에서의 실험결과 값은 122.18℃이며, 수치해석 결과 값은 139.76℃로 14.39% 높게 예측되었으며, 동일한 높이에서 속도 값은 1.37m/s인 반면 수치해석 결과 값은 1.23m/s로 10.22% 차이가 발생하였다. 이러한 차이가 발생한 이유는 열원으로부터 고온의 상승기류가 발생하여 출입구를 통하여 빠져나가고, 외부 공기 또한 내부로 유입되며 난류가 생성되는데, 수치해석 상 난류모델의 한계로 인한 차이로 볼 수 있다.
둘째, 선박의 종경사 조건을 –10°, -5°, 0°, 5°, 10°로 적용한 경우 피난출구 Exit3와 가까운 복도의 ③번 측정점에서 안전탈출필요시간을 비교하면 0°, -10°인 경우 93초, 36초에 도달하는 반면 10°인 경우는 허용기준 값에 도달하지 않았다.
선미방향으로 기울어진 경사로 인해 –10°일 때, 선수부분 복도 끝의 온도는 189℃에 도달하지만 10°일 때는 27℃로 Ⓓ방향으로 재실자의 이동이 가능할 것으로 판단되었다.
위의 결과를 바탕으로, 횡경사 및 종경사변화에 따라 화재 시의 이동할 수 있는 피난경로의 차이가 확연히 드러나, 선박의 환경적 요인에 의해 생성된 경사특성을 고려한 피난안전대책 수립이 필요함을 확인하였다.
둘째, 선박의 종경사 조건을 –10°, -5°, 0°, 5°, 10°로 적용한 경우 피난출구 Exit3와 가까운 복도의 ③번 측정점에서 안전탈출필요시간을 비교하면 0°, -10°인 경우 93초, 36초에 도달하는 반면 10°인 경우는 허용기준 값에 도달하지 않았다. 이를 통해 종경사의 경우는, 음의 값일 때 즉 화원의 위치를 기준으로 선미트림일 때, 열기류의 확산이 빠른 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
그러나 이 연구는 해석대상과 화재발생위치, 크기가 한 가지 사례로 국한되며, 화재위험성만을 분석한 한계를 가진다. 따라서 향후 이를 극복하기 위하여 선박의 화재발생위치와 크기 그리고 조합경사 조건을 적용하는 등 다양한 선박특성을 고려하고, 이와 더불어 피난해석을 수행하여 보다 실질적인 피난대책을 마련할 필요가 있다.
그러나 이 연구는 해석대상과 화재발생위치, 크기가 한 가지 사례로 국한되며, 화재위험성만을 분석한 한계를 가진다. 따라서 향후 이를 극복하기 위하여 선박의 화재발생위치와 크기 그리고 조합경사 조건을 적용하는 등 다양한 선박특성을 고려하고, 이와 더불어 피난해석을 수행하여 보다 실질적인 피난대책을 마련할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선내 화재의 대응책은 어떤 것이 필요한가?
(2017)은 실제 선박 거주구역을 대상으로 화재실험을 실시하여 화재실의 공조방식이 연기확산에 미치는 영향을 검토하였으며, Kim and Hwang(2016)은 화재시뮬레이션 툴인 FDS를 이용하여 선박 거주구역 화재 시 급·배기 조건이 연기확산에 미치는 영향과 위험성을 분석하고, 급·배기 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 방안을 제안하였다. 그리고 Kim(2010)은 시뮬레이션을 통해 선박화재 시, 복도와 피난구의 폭 증가가 피난시간 확보에 미치는 영향을 확인하였으며, Hwang(2011)은 선내 화재는 내·외부 요인에 의해 영향을 받기 때문에, 화재 시 소방설비만이 대책으로 볼 수 없으며 선박 별 대응 매뉴얼과 선내 재실자의 분포특성을 고려한 피난 대응책이 필요함을 제안하였다.
최근 5년간 해양사고는 어떤 추세인가?
해양안전심판원 통계자료에 따르면, 최근 5년간 해양사고는 2013년 1,093건, 2017년 2,582건으로 연평균 24%의 증가율로 매년 증가하는 추세이다. 그중 선박의 화재와 폭발사고는 5년간 485건으로 이로 인해 125명에 달하는 많은 인명피해가 발생하였다(KMST, 2017).
선박화재로 인한 물적, 인적 피해가 큰 이유는?
이처럼 선박화재로 인해 인적·물적 피해가 큰 이유는 선박의 구조적, 환경적 특수성에서 기인한다. 고기밀성 구조인 선박은 화재 시 연기와 고온의 가스가 공간 외부로의 배출이 어려우며, 선내 공조시스템의 덕트를 통해 선박 전체로 연기가 확산될 수도 있다. 그리고 선박은 낮은 천장과 긴 복도를 가지는 특성으로 인해 복도가 연기통로가 되어 확산된다.
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