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• 난류 유동의 경우 벽 근처 영역에서의 유동은 흐름 방향에 따라 압력구배가 없는 1차원 Coutte유동처럼 거동하며 전단력은 일정하다고 가정한다. 그리고 벽 근처에서는 국부적으로 난류 운동에너지의 생성과 소멸이 같다는 등방성이 지배적이라는 가정하에 벽 법칙을 적용하여 벽 근처에서의 확산계수 들을 고려하였다.
• 입구 경계조건은 입구에서 모든 종속변수들의 값들을 알고 있다는 Dirichlet 형태를 사용하였고, 출구 경계조건은 Neumann 형태를 사용하였으며 벽면 경계조건은 No-slip 조건을 적용하였다. 난류 유동의 경우 벽 근처 영역에서의 유동은 흐름 방향에 따라 압력구배가 없는 1차원 Coutte유동처럼 거동하며 전단력은 일정하다고 가정한다. 그리고 벽 근처에서는 국부적으로 난류 운동에너지의 생성과 소멸이 같다는 등방성이 지배적이라는 가정하에 벽 법칙을 적용하여 벽 근처에서의 확산계수 들을 고려하였다.

제안 방법

• 따라서 본 연구에서는 3차원 아트리움 공간에 대해서 성분 방정식과 복사 열전달 방정식을 계산하여 실제 연기거동을 화재경과 시간에 따라서 기술하고 화재안전에서 중요한 요소가 되는 상부의 더운 연기층의 평균온도와 연기층 경계 높이에 대하여 zone 모델과 SMEP field 모델을 비교하였다, Zone 모델로는 NIST에서 개발된 CFAST 모델을 사용하였고 또한 실험관계식으로부터 SMEP field 모델을 검증하였다. 그리고 SMEP 모델은 복사를 고려했을 경우와 복사를 고려하지 않았을 경우를 비교하여 연기에 대한 복사 영향을 연구하였다.
• 따라서 본 연구에서는 3차원 아트리움 공간에 대해서 성분 방정식과 복사 열전달 방정식을 계산하여 실제 연기거동을 화재경과 시간에 따라서 기술하고 화재안전에서 중요한 요소가 되는 상부의 더운 연기층의 평균온도와 연기층 경계 높이에 대하여 zone 모델과 SMEP field 모델을 비교하였다, Zone 모델로는 NIST에서 개발된 CFAST 모델을 사용하였고 또한 실험관계식으로부터 SMEP field 모델을 검증하였다. 그리고 SMEP 모델은 복사를 고려했을 경우와 복사를 고려하지 않았을 경우를 비교하여 연기에 대한 복사 영향을 연구하였다.
• 본 연구에서는 아트리움 공간에서 화재 발생시 실제 화제 안전에서 중요한 변수가 되는 상부의 더운 연기층의 높이와 평균온도를 상용 프로그램인 CFAST 모델과 비교하였으며 또한 NIST에서 아트리움에 대하여 실험한 관계식으로부터 연층 높이를 SMEP 모델과 비교하였다. 그림 3과 4는 이러한 결과를 보여주고 있으며 전체적으로 비슷한 경향을 보여주고 있다.
• 예측된 연기의 온도 및 농도장으로부터 연층의 높이는 연기 농도가 수직 방향으로 4%(0.04)가 되는 곳으로 정하였다. 연층 높이보다 더 높은 영역은 상부의 더운 연기층으로 간주하였고 연기층의 평균 온도는 다음과 같은 식으로 구한다6).

대상 데이터

• 수치해석을 위한 차원은 yxz(25x25x20)의 형태를 갖는 격자계로 구성되었으며, 화재소스는 바닥의 중앙면에 3m X 3m의 크기로 놓여 있고, 수직 개구부는 한 쪽면에 폭 5m 그리고 높이 3m로 중앙면에 놓여 있다. 풀 화재의 열 발생률(heat release rate)은 fast mode로서 시간의 제곱승에 비례하는 다음과 같은 값을 갖는다.

이론/모형

• 각 보존 방정식에 대한 수치해를 구하기 위해서는 제어체적 내에서 체적 적분으로 차분화 시키는 유한 체적법을 사용하였으며, 음함수법에 의해 차분화된 시간 종속적인 유동 방정식들에 대한 압력-속도 연결문제는 반복계산에 의존하지 않는 시 간진행(time marching)방법인 PISO 알고리즘"에 의해 처리되었다.
• Plume의 평균 온도 TzfQQ는 열역학 1법칙을 적용하여 구할 수 있다. 즉 운동 에너지와 포텐셜 에너지의 변화를 무시함으로써 다음과 같은 plume 온도 방정식이 얻어진다.
• 보존 방정식들은 질량, 운동량, 에너지 그리고 농도 등에 대한 오일러리안 형태의 방정식과 복사 열전달 방정식을 풀었으며 밀도변화에 대한 압축성 효과를 고려하였다. 난류 유동에 대해서는 부력항이 포함된 수정 k-e 난류 모델을 사용하였으며, 직교 좌표계를 이용하였다. 복사열 전달 해석을 위한 방법에는 Zone법, Monte- Carlo 법 그리고 플럭스(flux) 법 등으로 대별되는데, 본 연구에서는 복사열 전달 해석을 위하여 단위 면적 당, 단위 파장 길이당, 단위 각도당의 복사강도를 종속변수로 하는 S-N(4) 구분종좌표(24개의 방향)법을 사용하였다.
• 난류 유동에 대해서는 부력항이 포함된 수정 k-e 난류 모델을 사용하였으며, 직교 좌표계를 이용하였다. 복사열 전달 해석을 위한 방법에는 Zone법, Monte- Carlo 법 그리고 플럭스(flux) 법 등으로 대별되는데, 본 연구에서는 복사열 전달 해석을 위하여 단위 면적 당, 단위 파장 길이당, 단위 각도당의 복사강도를 종속변수로 하는 S-N(4) 구분종좌표(24개의 방향)법을 사용하였다.
• 입구 경계조건은 입구에서 모든 종속변수들의 값들을 알고 있다는 Dirichlet 형태를 사용하였고, 출구 경계조건은 Neumann 형태를 사용하였으며 벽면 경계조건은 No-slip 조건을 적용하였다. 난류 유동의 경우 벽 근처 영역에서의 유동은 흐름 방향에 따라 압력구배가 없는 1차원 Coutte유동처럼 거동하며 전단력은 일정하다고 가정한다.

성능/효과

• 1) 화재가 진행됨에 따라 연기의 전파시간 및 연층의 높이는 복사를 고려했을 경우와 고려하지 않았을 경우가 거의 차이가 없었으나 연층의 평균온도와 천장 근처의 온도는 복사를 고려했을 경우가 복사를 고려하지 않은 경우보다 화재가 정상상태에 도달한 이후 약 2~3℃ 더 낮은 결과를 보였다. 이것은 연기속 에 포함되어 있는 연소생성물 중 HQ와 CO2 가스의 복사 영향 때문이며, 따라서 좀더 실제적인 화재 감지기의 설치시 이러한 점들이 고려되어야만 한다.
• 2) 아트리움 공간에서 화재 발생시 평균 연기 경계층의 높이가 화재 경과시간 5 분30초 후에도 약 2m 정도이기 때문에 이 시간까지 피난시간을 확보할 수 있다.
• 그림 3과 4는 이러한 결과를 보여주고 있으며 전체적으로 비슷한 경향을 보여주고 있다. 연층의 높이는 복사를 고려했을 경우와 고려하지 않았을 경우가 거의 차이가 없었으나 연층의 평균온도와 천장근처의 온도분포 (그림 5)는 복사를 고려했을 경우가 복사를 고려하지 않은 경우보다 화재가 178.6초의 정상상태에 도달한 이후 약 2~3℃ 더 낮은 결과를 보였다. 이것은 연기속에 포함되어 있는 연소생성물 중 HR와 C6 가스의 복사 영향 때문이며, 따라서 좀더 실제적인 화재 감지기의 설치시 이러한 점들이 고려되어야만 한다.

후속연구

• 3) SMEP 화재 모델은 대형 공간에서 화재발생시 화재 감지기와 관련된 국부적인 연기 농도와 온도분포를 구할 수 있고 또한 가시화할 수 있으며, 통풍 시스템 설치를 위한 자세한 유동정보를 얻음으로써 화재 안전설계 자료의 제공과 함께 방화 계획 방향 설정에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

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이 논문을 인용한 문헌

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