소화설비는 예상치 못한 화재를 진압하는 설비이며, 방호대상과 장소에 따라 부합한 소화약제를 사용해야한다. 이 중 가스계 소화설비는 물에 취약한 전자장비 등을 방호하기 위하여 사용되는데, 이 때문에 화학적 반응이 없는 불활성 기체가 주로 적용된다. 하지만 최근 전자장비들의 고집적화로 인하여 가스계 소화설비로부터 발생하는 소음이 전자장비에 손상을 주는 사례가 대두되고 있다. 이에 본 연구에서는 가스계 소화설비를 개선하고자, 노즐 수축각에 따른 유동소음을 수치적으로 계산 및 분석하였다. ANSYS FLUENT ver. 18.1을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 스월 분포를 고찰하여 유동소음에 대한 원인을 분석하였다. 개선된 모델은 기본 모델 대비 약 6 dB가 감소된 것을 확인하였으며, 이는 가스계 소화시스템 노즐 수축각이 방출소음 저감에 영향력 있는 인자임을 확인하였다.
소화설비는 예상치 못한 화재를 진압하는 설비이며, 방호대상과 장소에 따라 부합한 소화약제를 사용해야한다. 이 중 가스계 소화설비는 물에 취약한 전자장비 등을 방호하기 위하여 사용되는데, 이 때문에 화학적 반응이 없는 불활성 기체가 주로 적용된다. 하지만 최근 전자장비들의 고집적화로 인하여 가스계 소화설비로부터 발생하는 소음이 전자장비에 손상을 주는 사례가 대두되고 있다. 이에 본 연구에서는 가스계 소화설비를 개선하고자, 노즐 수축각에 따른 유동소음을 수치적으로 계산 및 분석하였다. ANSYS FLUENT ver. 18.1을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 스월 분포를 고찰하여 유동소음에 대한 원인을 분석하였다. 개선된 모델은 기본 모델 대비 약 6 dB가 감소된 것을 확인하였으며, 이는 가스계 소화시스템 노즐 수축각이 방출소음 저감에 영향력 있는 인자임을 확인하였다.
Fire extinguishing systems are essential equipment in all indoor facilities to address unexpected fire scenarios, and appropriate fire extinguishing agent should be used depending on the place and object to protect. Among these, gaseous fire-extinguishing systems are used to protect electronic equip...
Fire extinguishing systems are essential equipment in all indoor facilities to address unexpected fire scenarios, and appropriate fire extinguishing agent should be used depending on the place and object to protect. Among these, gaseous fire-extinguishing systems are used to protect electronic equipment. Therefore, inert gases that do not undergo chemical reactions are used mainly in those systems. On the other hand, recently, owing to the high integration of electronic equipment, there are some cases, in which large noise generated from gaseous systems damage the electronic equipment. In this study, numerical analysis of the discharge noise with various nozzle contraction angles was carried out to improve the gas fire extinguishing system. Numerical analysis was carried out using ANSYS FLUENT ver 18.1. The causes of the noise were elucidated using the swirl distribution. The noise level of the modified model was reduced by approximately 6 dB compared to the reference model, which is similar to the result of a previous study, confirming the validity of the method.
Fire extinguishing systems are essential equipment in all indoor facilities to address unexpected fire scenarios, and appropriate fire extinguishing agent should be used depending on the place and object to protect. Among these, gaseous fire-extinguishing systems are used to protect electronic equipment. Therefore, inert gases that do not undergo chemical reactions are used mainly in those systems. On the other hand, recently, owing to the high integration of electronic equipment, there are some cases, in which large noise generated from gaseous systems damage the electronic equipment. In this study, numerical analysis of the discharge noise with various nozzle contraction angles was carried out to improve the gas fire extinguishing system. Numerical analysis was carried out using ANSYS FLUENT ver 18.1. The causes of the noise were elucidated using the swirl distribution. The noise level of the modified model was reduced by approximately 6 dB compared to the reference model, which is similar to the result of a previous study, confirming the validity of the method.
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문제 정의
Figure 2. Grid systems applied in this study.
가스계 소화시스템에서 유동소음에 대한 중요성은 더욱 커지고 있으며, 그에 따라 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 선행연구에서 보고된 저소음 가스계 소화노즐 음향 방출 노즐을 기반으로 소화노즐의 수축각에 따른 유동소음을 수치적으로 계산하고 비교하였다. 그에 따른 결론은 다음과 같다.
제안 방법
ANSYS Meshing을 이용하여 격자계(Grid system)를 구성하였으며, 사면체(Tetrahedral type)와 육면체(Hexahedral type)를 사용하였다. 노즐 내부형상은 외부 유동장 구조에 비해 복잡하기 때문에, 육면체 구조의 격자로 구성하기 어렵다.
계산된 음압은 Fast fourier transform (FFT)을 사용하여 주파수 영역으로 변환하였으며, 0~12.5 kHz영역을 관심 주파수 대역으로 선정하였다. 또한, Table 2에는 본 연구에서 사용된 경계조건과 주위 대기조건을 기술하였다.
비교적 단순한 구조인 외부 유동장의 경우, 종횡비(Aspect ratio)가 우수한 육면체 구조의 격자를 사용하여 전체 격자계를 구성하였다. 노즐 내부 유동장의 격자는 0.5 mm의 크기로 1.2의 증가율(Growth rate)을 가지고 점차 증가하도록 설정하였으며, 외부 유동장은 편향성(bias)을 두어 노즐 중심으로 갈수록 조밀한 격자가 형성되도록 하였다. 격자에 대한 신뢰성을 얻기 위하여 격자 의존도 시험(Grid dependency test)을 수행하였으며, 그 결과 1/4 도메인(Domain)기준으로 약 682만개의 격자를 이용하였다(Figure 3 참조).
노즐 내부형상은 외부 유동장 구조에 비해 복잡하기 때문에, 육면체 구조의 격자로 구성하기 어렵다. 따라서 사면체 구조의 격자를 사용하여 노즐 내부의 유동장을 구성하였다(Figure 2 참조). 비교적 단순한 구조인 외부 유동장의 경우, 종횡비(Aspect ratio)가 우수한 육면체 구조의 격자를 사용하여 전체 격자계를 구성하였다.
SST 모델의 경우 벽면근처 유동을 비교적 정밀하게 예측 가능한 k-∊ 난류모델과 일반 대류해석을 위한 k-ε 모델의 장점을 결합한 모델이며, 비정상해석을 위한 초기값 문제해결에 타당하다. 또한, LES모델의 경우 격자로 계산 가능한 크기의 난류구조를 직접 계산하고 작은 난류들만 모델링하는 특성을 가지고 있기에 본 연구에서는 비정상해석의 난류모델로 선정하여 음향해석을 수행하였다(12,13).
본 연구에서는 ANSYS FLUENT ver. 18.1을 사용하여 유동특성과 음향장을 수치 해석적 방법으로 계산하였다. 작동유체인 소화약제는 IG-100을 사용하였으며, 노즐입구에 1.
본 연구에서는 국외 기업인 A社 저소음 노즐을 기반으로 모델링하여 수치 해석적 방법으로 유동해석을 수행하였으며, 외부 방출구의 수축각(Contraction angle) 변화를 주어 방출소음에 미치는 영향을 수치적으로 분석하였다.
수축각에 대한 영향을 확인하고자, 삼각비(The trigonometric ratio)를 사용하여 기존 반지름 길이가 절반이 되는 30° 부터 10° 간격으로 줄여가며 case들을 구성하였다.
대상 데이터
Figure 1에는 수치해석에 사용된 노즐의 3-D 모델을 도시하였다. 노즐의 기본형상은 Melissa 등(10)이 소개한 독일의 음향 방출 노즐(Acoustic discharge nozzle)을 기반으로 제작되었으며, 크게 두 개의 몸체와 3개의 외부흡음재로 구성되어있다. 소화노즐의 내부몸체 지름인 d1은 압력 배관용 탄소 강관 규격인 KS D 3562(11)의 15A를 사용하였으며, 외부 방출구에 수축각을 주어 노즐(Nozzle)형상을 적용하였다.
노즐의 기본형상은 Melissa 등(10)이 소개한 독일의 음향 방출 노즐(Acoustic discharge nozzle)을 기반으로 제작되었으며, 크게 두 개의 몸체와 3개의 외부흡음재로 구성되어있다. 소화노즐의 내부몸체 지름인 d1은 압력 배관용 탄소 강관 규격인 KS D 3562(11)의 15A를 사용하였으며, 외부 방출구에 수축각을 주어 노즐(Nozzle)형상을 적용하였다.
데이터처리
측정점은 총 3점으로 선정하였으며, 각 점에서는 압력파동에 대한 정보를 얻어 음향소음을 예측하게 된다. 또한, 예측된 음압레벨은 FFT를 사용하여 각 주파수 영역에 따른 음압레벨로 변환하고 평균음압레벨을 사용하여 각 case별 음압레벨에 대한 결과를 비교 분석하였다.
이론/모형
2의 증가율(Growth rate)을 가지고 점차 증가하도록 설정하였으며, 외부 유동장은 편향성(bias)을 두어 노즐 중심으로 갈수록 조밀한 격자가 형성되도록 하였다. 격자에 대한 신뢰성을 얻기 위하여 격자 의존도 시험(Grid dependency test)을 수행하였으며, 그 결과 1/4 도메인(Domain)기준으로 약 682만개의 격자를 이용하였다(Figure 3 참조).
이에 본 연구에서는 각 case에 따른 스월 분포를 Figure 4에 도시하였으며, 일정한 압력으로 소화약제가 저장되어 작동하는 가스계 소화설비에 대해 고찰하였다. 공간 영역으로 와류를 검출하는 방법으로는 스월 판별(Swirling discriminant)지수를 사용하였으며, 이는 복소 고유치에 대한 속도 구배 텐서의 양수 값으로 스월 패턴(Pattern)이 존재함을 나타낸다.
5 MPa 압력을 일정하게 적용하였다. 난류모델은 정상상태의 경우 Shear stress transport (SST)모델을 적용하였으며, 계산된 유동 데이터를 기반으로 비정상해석을 Large eddy simulation (LES)모델을 이용하여 계산하였다. SST 모델의 경우 벽면근처 유동을 비교적 정밀하게 예측 가능한 k-∊ 난류모델과 일반 대류해석을 위한 k-ε 모델의 장점을 결합한 모델이며, 비정상해석을 위한 초기값 문제해결에 타당하다.
소화약제의 유동특성을 계산하기 위한 지배방정식으로 연속방정식과 운동량 방정식, 에너지 방정식을 적용하였으며, 음향해석을 위한 지배방정식으로는 Ffowcs WilliamsHawkings (FW-H)음향상사식을 적용하였다(14).
성능/효과
1) 가스계 소화노즐에서 발생하는 소음은 제트유동에서 발생하는 유동소음과 비슷한 경향을 보인다.
2) 유동소음은 스월 분포를 사용하여 시각적으로 예측할 수 있다.
3) 일정한 압력으로 소화약제가 보관되는 시스템에서 노즐 수축각이 커질수록 스월 분포는 좁은 영역으로 집중되며, 이는 유동소음 감소에 긍정적인 영향을 끼친다.
기본 모델의 경우 상당한 양의 스월 분포를 나타냄을 확인하였으며, 수정 모델의 경우 스월이 넓게 퍼지지 않고 집중되어 분포함을 확인하였다. 이는 노즐 수축각이 증가함에 따라 방출하는 소화약제의 운동에너지가 상승하기 때문인 것을 알 수 있다.
음압레벨의 분포를 확인한 결과, 기본 모델의 경우 약 1.57 kHz에서 89.47 dB의 피크(Peak)소음을 갖는 것으로 예측되었다. 이에 비해 소화약제 방출구가 노즐 형상인 경우에는 전체적인 광대역(Broadband) 소음과 함께 피크소음이 감소함을 확인할 수 있다.
계산된 각 case별 평균음압레벨은 기본모델 값과 비교하여 소음 저감율(Noise reduction rate)을 계산하였으며, 이를 Figure 6에 도시하였다. 평균음압레벨은 기본 모델의 경우 1번 측정점에서 111.763 dB의 음향소음이 예측되었으며, 2번과 3번 측정점에서는 각각 111.645 dB와 111.549 dB로 예측 되었다. Case 1의 경우 1번, 2번 그리고 3번 측정점에서 모두 약 111.
후속연구
본 연구 결과는 저소음 소화노즐 개발 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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