[논문]밀폐된 구획 내 복합소재 고체 가연물의 연소시 열방출률의 FDS 예측 특성

홍터기; 노범석; 박설현

doi:10.5762/kais.2020.21.11.349

밀폐된 구획 내 복합소재 고체 가연물의 연소시 열방출률의 FDS 예측 특성
A Study on the Characteristics of FDS Heat Release Rate Predictions for Fire involving Solid Combustible Materials in a Closed Compartment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.349 - 356

홍터기 (조선대학교 대학원 기계시스템.미래자동차공학과) , 노범석 (한국해양수산연구원) , 박설현 (조선대학교 기계공학과)

초록
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ISO 9705 룸코너 시험을 통해 복합소재 고체 가연물의 화재발생시 발생되는 열방출률을 측정하고 화재성장율을 계산하여 Fire Dynamics Simulator (FDS)에서 제공하는 열방출률 예측 모델을 사용자가 시험을 통해 얻어진 질량 소모율을 직접 입력하고 점화원에 의해 가연물의 표면 온도가 점화 온도에 도달하게 되면 정해진 연료를 소모하게 됨으로써 열방출률이 계산되는 단순 모델 (Simple model)과 질량 소모율을 직접 계산하는 방식으로 고체 가연물의 온도를 계산하고 고체 가연물의 열분해율을 조절하여 직접 열방출률을 계산하는 열분해 모델 (Pyrolysis model)로 구분하고 각각의 열방출률 모델에 필요한 입력 인자를 적용하여 동일한 조건에서 밀폐된 구획 환경에 따라 FDS 전산 해석을 수행하였다. 복합소재 고체 가연물로는 PU 폼과 PP, 철재로 대부분 구성되어있는 영화관 의자를 선정하였다. 동일한 조건에서 밀폐된 구획 환경에 따라 각각의 열방출률 예측 모델을 해석한 결과, 밀폐된 구획에서 단순 모델을 통해 예측된 열방출률과 화재성장율이 열분해 모델을 이용하는 경우에 비해 다소 과예측되는 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The heat release rate (HRR) and fire growth rate of fire for the solid combustibles consisting of multi-materials was measured through the ISO 9705 room corner test, and the computational analysis in a closed compartment was performed to simulate a fire using the heat release rate prediction model provided by a Fire Dynamics Simulator (FDS). The method of predicting the heat release rate provided by the FDS was divided into a simple model and a pyrolysis model. Each model was applied and computational analysis was performed under the same conditions. As the solid combustible consisting of multi-materials, a cinema chair composed mostly of PU foam, PP, and steel was selected. The simple model was over-predicted compared to the predicted heat release rate and fire growth rate using the pyrolysis model in a closed compartment.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Civilian deaths, injuries, and property damages caused by fires[1].
그림 Fig. 2. Comparisons for FDS for heat release predictions models
그림 Fig. 3. ISO 9705 Room corner tester[10]
그림 Fig. 4. ISO 9705 Room corner test of cinema chair[10] (a) Schematic of cinema chair used in this study (b) Combustion experiment of cinema chair
그림 Fig. 5. Open and closed computational domain for the FDS simulation
표 Table 1. Thermal and pyrolysis properties of PU foam & PP used in this study[13]
그림 Fig. 6. Measured and calculated HRR of open compartment plotted as a function time and
표 Table 2. Sequential images of burning cinema chairs obtained from each of the FDS model analysis
그림 Fig. 7. Calculated HRR and THR of closed compartment plotted as a function time
그림 Fig. 8. Classification of Fire Growth Rates
그림 Fig. 9. Calculated fire growth curves based on HRR results from each model
표 Table 3. Values for α and tg for different growth rates[15]

AI 본문요약
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문제 정의

이렇듯 FDS에서 지원하는 열방출률 예측 모델에 따라 환기 부족 시나리오 예측이 상이할 수 있지만, 열방출률 예측 모델 상호 간의 차이점을 고찰한 연구는 매우 제한적인 실정이다. 따라서 본 연구에서는 ISO 9705 룸 코너시험 장치를 이용해 열방출률을 측정하고 FDS에서 제공하는 2가지 가연물의 열방출률 예측 모델을 동일한 조건에 적용하여 공기가 충분한 조건의 화재시나리오와 비교하고 환기 부족 화재 시나리오의 화재 성장 특성을 열방출률의 관점에서 고찰해 보고자 하였다. 이를 위해서 가연물로는 서로 다른 소재로 구성된 영화관 의자를 선정하였고 FDS 열방출률 모델로 계산된 결과와 비교 분석하였다.

가설 설정

반면 FDS 전산해석에서는 이러한 현상을 재현할 수 없기에 실제 ISO 9705 룸 코너 시험 장치로 측정된 최대 열방출률에 비해 과다 예측하고 있지만 총 열방출 (Total Heat Release, THR)은 비교적 시험 결과와 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 선행 연구[10]에서 FDS의 열방출률 모델 (단순 모델, 열분해 모델)에서 얻어진 열방출률이 실제 ISO 9705 룸 코너 시험의 열방출률과 비교적 동일하다는 가정하에 FDS의 열방출률 모델에 Table 1의 각각 동일한 입력 인자를 입력하고 각 벽면을 단열 조건으로 Table 2의 밀폐된 구획 화재를 모사하였고 Fig. 7은 Table 2의 전산 모사결과를 열방출률로 도시한 결과이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 FDS 전산 해석 결과, 단순 모델이 열분해 모델에 비해 초기 화재 성장이 다소 빠른 것을 확인할 수 있으며 최대 열방출률이 열분해 모델에 비해 과다 예측하는 것을 확인 할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 선행 연구[10]에서의 ISO 9705 룸 코너 시험 장치를 이용하여 PU 폼과 PP, 철재로 구성된 복합소재 고체 가연물인 영화관 의자의 화재 시 발생되는 열방출률을 개방된 구획의 FDS 전산 해석 결과로부터 밀폐된 구획에서의 FDS 열방출률 모델에 따라 영화관 의자의 열방출률을 계산한 결과를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
그림에서 볼 수 있는 바와 같이 저자의 선행 연구[10]에서 ISO 9705 룸 코너 시험을 모사하기 위한 개방된(Open) 구획 화재 시나리오와는 반대로 밀폐된(Closed) 구획을 모사하기위해 각 벽면은 단열 상태로 적용하였다. 아울러 본 연구에서는 영화관 의자의 구성소재 중, 대부분을 차지하는 PP와 PU 폼, 철재를 단순화하여 실제 질량인 32.85 kg과 근접한 32.50 kg로 모델링을 구성하여 해석을 진행하였다.
앞서 언급한 바와 같이 FDS 전산 해석을 통해 복합소재 고체 가연물의 연소로 발생되는 열방출률을 예측하는 모델은 2가지의 입력 방식을 지원한다. 우선 열분해 모델은 가연물의 활성화 에너지 (Activation Energy), E와 선인자 계수 (Pre-exponential factor), A를 Thermal Gravimetric Analysis (TGA) 분석 혹은 마이크로 칼로리미터 등을 이용하여 획득하고 Eq. (1)과 Eq.
따라서 본 연구에서는 ISO 9705 룸 코너시험 장치를 이용해 열방출률을 측정하고 FDS에서 제공하는 2가지 가연물의 열방출률 예측 모델을 동일한 조건에 적용하여 공기가 충분한 조건의 화재시나리오와 비교하고 환기 부족 화재 시나리오의 화재 성장 특성을 열방출률의 관점에서 고찰해 보고자 하였다. 이를 위해서 가연물로는 서로 다른 소재로 구성된 영화관 의자를 선정하였고 FDS 열방출률 모델로 계산된 결과와 비교 분석하였다.
7로부터 밀폐된 구획에서의 화재 성장이 FDS 열방출률모델에 따라 상이한 것을 볼 수 있었다. 이에 따라 FDS 열방출률에 따라 정확한 화재 성장 속도를 계산하기위해서 Fig. 8에 제시된 화재성장률로 화재 성장속도를 판별하였다. 화재 성장률은 가연물의 열방출률 곡선에서 점화 시점 (t₀)을 원점으로 하여 최대 열방출률을 연결하는 근사 곡선으로 정의할 수 있다[14] .
4m 크기로 구획 내부에서 가연물의 화염 전파[8] 및 환기조건에 따른 가연물의 연소 특성[9]을 측정할 수 있도록 설계되어있다. 하지만 본 연구에서는 복합소재 고체 가연물인 영화관 의자의 화재 시 발생되는 열방출률을 측정하기 위해 개방된 환기 조건에서 구획 내부가 아닌 구획 외부 사각 배기 후드 하단에서 실험을 진행하였다[10] .

대상 데이터

복합소재 고체 가연물로는 Fig. 4 (a)에 총 질량 약 33 kg인 영화관 의자를 사용하였다. 영화관 의자는 대부분 PU (Polyurethane) 폼과 PP (Polypropylene)로 구성되어있는 복합 고체가연물로 헵탄(C7H16) 풀(Pool)버너 (표면적이 0.
FDS 전산 해석은 Figure 3에서 제시되어있는 바와 같이 2,000 (W) × 2,000 (L) × 2,500 (H) mm 크기의 해석공간에서 ISO 9705 룸 코너 시험과 동일하게 40kW급 헵탄 풀 버너를 점화원으로 지정하였다.

이론/모형

4 (b)). 화재 시 발생되는 열방출률은 배기 후드 덕트에서 산소농도를 측정하고 산소 1kg이 소모될 때 13.1 MJ/kg의 열량을 발생한다는 기본원리를 가지는 산소 소모열량법[11]을 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1) 복합소재 고체 가연물인 영화관 의자의 화재를 FDS 단순모델과 열분해 모델로 동일한 조건에서 전산 해석한 결과 단순 모델을 통해 예측된 열방출률이 열분해 모델을 이용하는 경우에 비해 과예측하는 것을 확인 할 수 있었다.
2) 아울러 밀폐된 구획의 열분해 모델은 화재성장곡선이 Medium 영역에 속하는 것에 반에 단순 모델은 Fast 영역에 속하는 것을 볼 수 있고 화재성장율도 열분해 모델에 비해 약 1.6배 과다 예측하는 것을 볼 수 있다.
4) 결국, 각 소재별 열분해 물성이 반영되고 가연물 주위의 산소 농도와 가연물의 표면 온도에 따라 열분해 속도를 조절하는 열분해 모델이 단순 모델에 비해 밀폐된 구획 화재 모사에서 비교적 잘 예측할 것으로 판단된다.
7은 Table 2의 전산 모사결과를 열방출률로 도시한 결과이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 FDS 전산 해석 결과, 단순 모델이 열분해 모델에 비해 초기 화재 성장이 다소 빠른 것을 확인할 수 있으며 최대 열방출률이 열분해 모델에 비해 과다 예측하는 것을 확인 할 수 있다.
4 (b)에서 볼 수 있듯이 같이 ISO 9705 룸 코너 시험 중에 고체 가연물은 화재 진행 과정에서 소재의 일부가 본 가연물에서 이탈되어 바닥에 떨어짐으로써 열방출률이 줄어들 수 있다. 반면 FDS 전산해석에서는 이러한 현상을 재현할 수 없기에 실제 ISO 9705 룸 코너 시험 장치로 측정된 최대 열방출률에 비해 과다 예측하고 있지만 총 열방출 (Total Heat Release, THR)은 비교적 시험 결과와 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 선행 연구[10]에서 FDS의 열방출률 모델 (단순 모델, 열분해 모델)에서 얻어진 열방출률이 실제 ISO 9705 룸 코너 시험의 열방출률과 비교적 동일하다는 가정하에 FDS의 열방출률 모델에 Table 1의 각각 동일한 입력 인자를 입력하고 각 벽면을 단열 조건으로 Table 2의 밀폐된 구획 화재를 모사하였고 Fig.
그림에서 볼 수 있는 바와 같이 FDS 열분해 모델에서의 화재 성장은 Medium 영역에 속하는 반에 단순 모델은 Fast영역에 속하는 것을 확인 할 수 있다. 뿐만 아니라 단순 모델을 이용하여 계산한 화재성장계수 (0.056)도 열분해 모델를 이용하여 계산한 결과 (0.035)에 비해 약 1.6배가량 비교적 높은 것을 확인 할 수 있었다.
뿐만 아니라 최대 열방출률 이후 구획 내부의 산소 공급이 부족하게 되어 화염의 소멸이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이때, 단순 모델의 경우에는 점화 초기 시 화염으로부터 발생된 높은 열유속에 의해 순간적으로 PU 폼와 PP 소재의 점화 온도에 도달하고 이후 정의된 열방출(연료 소모)에 의해 열방출률을 예측하며 FDS에서 정의한 화염 소멸조건[12]에 도달하게 되면 화염이 바로 소멸하는데 반에 열분해 모델의 경우에는 각 소재별 열분해 물성이 반영되고 주변의 산소 농도와 가연물의 표면온도에 따라 열분해 속도가 조절되기 때문에 열분해율이 점차 낮아져 열방출률이 비교적 천천히 줄어드는 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

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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. DOI: http://dx.doi.org/10.6028/NIST.SP.1019
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NFPA 92B, NFPA72, National fire Alarm Code, Second Revision, NFPA, Quincy, MA

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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