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문제 정의
- 본 연구에서는 폭연이 발생할 수 있는 공간에서 장애물에 의하여 폭발 특성에 미치는 영향들을 알아보기 위해 크기가 다른 2개의 직육면체형 폭발통을 이용하여 실험하였다. 폭발통 내에 설치되는 장애물들은 두께 10㎜의 철판을 사용하였다.
- 본 연구의 목적은 장애물에 의한 화염 전파현상을 가시화하여 분석함으로서 화염 전파속도의 가속되는 메카니즘을 밝히고 장애물에 의한 열유체의 흐름 특성과 화염 전파 현상의 관계를 설명하며, 장애물에 의한 폭발특성의 변화를 확인 하고자 하였다. 실험에 사용된 가스는 공기보다 무겁고 가정용 연료로 많이 사용되고 있으며 사고의 빈도가 많은 LPG를 이용하였다.
제안 방법
- 실험은 역시 동일한 위치에 같은 장애물을 설치한 경우와 장애물이 없는 경우에 대하여 실시하였고 LPG의 농도는 4%, 5%, 6%에서 실시하였다. B용기의 경우에도 장애물의 위치를 점화원에서 약 36㎝ 떨어진 곳에 위치시켰으며 LPG의 농도는 4%, 4.5%, 5%, 6%로 하여 실험하였다. 가스의 농도를 조절하는 방법은 폭발압력 측정실험과 동일하게 하였으나 밀폐상태에서 폭발될 경우 화염 전파현상의 가시화를 위해 설치한 폴리카보네이트 창이 파괴되는 것을 방지하기 위해, 가스의 혼합이 완전히 이루어진 후 점화원의 반대측면을 diaphragm으로 교체하여 가스폭발시 파열되도록 함으로서 관측창의 파손을 방지하도록 하였다.
- B용기의 폭발통은 8㎝씩 10개 구간으로 나누어서 각 구간별 화염 전파속도를 비교할 수 있도록 하였다.
- 5%, 5%, 6%로 하여 실험하였다. 가스의 농도를 조절하는 방법은 폭발압력 측정실험과 동일하게 하였으나 밀폐상태에서 폭발될 경우 화염 전파현상의 가시화를 위해 설치한 폴리카보네이트 창이 파괴되는 것을 방지하기 위해, 가스의 혼합이 완전히 이루어진 후 점화원의 반대측면을 diaphragm으로 교체하여 가스폭발시 파열되도록 함으로서 관측창의 파손을 방지하도록 하였다. 가스폭발 압력은 오실로 스코프를 이용하여 측정하였으며 폭발화염전파 현상은 Speedcam+를 이용하여 촬영하였다.
- 가스의 농도를 조절하는 방법은 폭발압력 측정실험과 동일하게 하였으나 밀폐상태에서 폭발될 경우 화염 전파현상의 가시화를 위해 설치한 폴리카보네이트 창이 파괴되는 것을 방지하기 위해, 가스의 혼합이 완전히 이루어진 후 점화원의 반대측면을 diaphragm으로 교체하여 가스폭발시 파열되도록 함으로서 관측창의 파손을 방지하도록 하였다. 가스폭발 압력은 오실로 스코프를 이용하여 측정하였으며 폭발화염전파 현상은 Speedcam+를 이용하여 촬영하였다.
- 5%, 5%, 6%로 하였다. 각각의 농도에서 3~5회씩 실험하여 평균값을 이용하도록 하였다. 화염전파 현상의 가시화 를 위한 실험은 A와 B 두 개의 폭발통 모두를 사용하였다.
- 앞에서 설명한 바와 같이 장애물의 유무에 따라 화염전파속도의 양상이 약간씩 달라지는 모습을 볼 수 있었다. 따라서 폭발 중간에서 장애물에 의해 폭발특성에도 영향을 미칠 것으로 예상하여 폭발용기 A를 이용하여 앞에서 설명한 대로 장애물 존재시와 장애물이 없을 경우에 각각 5가지의 LPG 농도에서 폭발압력과 압력상승속도를 측정하였다. 다음 Fig.
- A용기는 전면을 투명한 폴리카보네이트로 교체하였다. 실험은 역시 동일한 위치에 같은 장애물을 설치한 경우와 장애물이 없는 경우에 대하여 실시하였고 LPG의 농도는 4%, 5%, 6%에서 실시하였다. B용기의 경우에도 장애물의 위치를 점화원에서 약 36㎝ 떨어진 곳에 위치시켰으며 LPG의 농도는 4%, 4.
- 장애물에 의한 혼합가스폭발압력과 압력 상승속도의 측정은 A용기를 이용하여 실시하였다. 용기 내에 장애물이 없을 경우 용기내 장애물 높이가 30㎝인 경우와 20㎝인 경우로 나누어 실험하였으며, 장애물의 위치는 점화원으로부터 약 37㎝ 떨어진 곳에 화염면의 진행방향에 수직이 되도록 용기 바닥면에 고정시켰다.
- 폭발통 내에 설치되는 장애물들은 두께 10㎜의 철판을 사용하였다. 장애물에 의한 폭발화염의 거동을 관찰하기 위하여 고속 비디오 카메라를 이용하였으며 폭발압력은 Strain형 압력센서를 사용하였다.
- 장애물에 의한 혼합가스폭발압력과 압력 상승속도의 측정은 A용기를 이용하여 실시하였다. 용기 내에 장애물이 없을 경우 용기내 장애물 높이가 30㎝인 경우와 20㎝인 경우로 나누어 실험하였으며, 장애물의 위치는 점화원으로부터 약 37㎝ 떨어진 곳에 화염면의 진행방향에 수직이 되도록 용기 바닥면에 고정시켰다.
- 폭발화염 의 전파현상은 고속카메라 모니터에 표시되었고 다시 VTR로 녹화하였다. 장애물에 의해 폭발압력이나 압력상승속도가 영향을 받는지를 알아보기 위해서는 Strain type의 압력센서를 이용하였고 디지털 오실로스코프를 사용하여 측정하였다.
- 장애물이 설치된 후 용기를 완전히 밀폐시키고 진공펌프로 용기를 진공으로 만든 후 실험에 필요한 농도를 만들기 위해 정해진 부피의 밸브를 열어 공기를 주입하므로 내부에서 균일한 농도의 혼합기가 형성되도록 하였다.
- 폭발압력 측정을 위한 LPG의 농도는 3%, 4%, 4.5%, 5%, 6%로 하였다. 각각의 농도에서 3~5회씩 실험하여 평균값을 이용하도록 하였다.
- 장애물은 각 용기마다 2종류로 A용기의 경우 두께 1㎝의 철판을 가로 세로가 각각 60㎝×30㎝인 것과 60㎝×20㎝인 것을 사용하였고, B용기에 사용한 장애물은 동일한 두께에 가로 세로가 각각 20㎝× 10㎝인 것과 20㎝×5㎝인 것을 사용하였다. 폭발화염 전파현상을 가시화하기 위하여 사용한 고속카메라는 Speedcam+로 500fps와 1000fps의 속도로 촬영하였다. 폭발화염 의 전파현상은 고속카메라 모니터에 표시되었고 다시 VTR로 녹화하였다.
- 본 실험에 사용된 실험장치의 개략도는 전에 실험한 장치와 같으며,2) 실험에 사용된 2종류의 폭발통은 가로, 세로, 높이가 각각 100㎝×60㎝×45㎝ 인 부피 270 ℓ 용기(A)와 다른 하나는 가로, 세로, 높이가 각각 90㎝×20㎝×20㎝ 인 부피 36ℓ용기(B)이다. 화염전파현상을 가시화 하기 위하여 두 용기 모두 전면을 투명한 폴리카보네이트 창을 부착하였으며 A용기는 폭발 압력측정을 위해 관측창을 철판으로 교체할 수 있도록 하였다. 장애물은 각 용기마다 2종류로 A용기의 경우 두께 1㎝의 철판을 가로 세로가 각각 60㎝×30㎝인 것과 60㎝×20㎝인 것을 사용하였고, B용기에 사용한 장애물은 동일한 두께에 가로 세로가 각각 20㎝× 10㎝인 것과 20㎝×5㎝인 것을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 실험장치의 개략도는 전에 실험한 장치와 같으며,2) 실험에 사용된 2종류의 폭발통은 가로, 세로, 높이가 각각 100㎝×60㎝×45㎝ 인 부피 270 ℓ 용기(A)와 다른 하나는 가로, 세로, 높이가 각각 90㎝×20㎝×20㎝ 인 부피 36ℓ용기(B)이다. 화염전파현상을 가시화 하기 위하여 두 용기 모두 전면을 투명한 폴리카보네이트 창을 부착하였으며 A용기는 폭발 압력측정을 위해 관측창을 철판으로 교체할 수 있도록 하였다.
- 본 연구의 목적은 장애물에 의한 화염 전파현상을 가시화하여 분석함으로서 화염 전파속도의 가속되는 메카니즘을 밝히고 장애물에 의한 열유체의 흐름 특성과 화염 전파 현상의 관계를 설명하며, 장애물에 의한 폭발특성의 변화를 확인 하고자 하였다. 실험에 사용된 가스는 공기보다 무겁고 가정용 연료로 많이 사용되고 있으며 사고의 빈도가 많은 LPG를 이용하였다.
- 화염전파현상을 가시화 하기 위하여 두 용기 모두 전면을 투명한 폴리카보네이트 창을 부착하였으며 A용기는 폭발 압력측정을 위해 관측창을 철판으로 교체할 수 있도록 하였다. 장애물은 각 용기마다 2종류로 A용기의 경우 두께 1㎝의 철판을 가로 세로가 각각 60㎝×30㎝인 것과 60㎝×20㎝인 것을 사용하였고, B용기에 사용한 장애물은 동일한 두께에 가로 세로가 각각 20㎝× 10㎝인 것과 20㎝×5㎝인 것을 사용하였다. 폭발화염 전파현상을 가시화하기 위하여 사용한 고속카메라는 Speedcam+로 500fps와 1000fps의 속도로 촬영하였다.
- 본 연구에서는 폭연이 발생할 수 있는 공간에서 장애물에 의하여 폭발 특성에 미치는 영향들을 알아보기 위해 크기가 다른 2개의 직육면체형 폭발통을 이용하여 실험하였다. 폭발통 내에 설치되는 장애물들은 두께 10㎜의 철판을 사용하였다. 장애물에 의한 폭발화염의 거동을 관찰하기 위하여 고속 비디오 카메라를 이용하였으며 폭발압력은 Strain형 압력센서를 사용하였다.
- 각각의 농도에서 3~5회씩 실험하여 평균값을 이용하도록 하였다. 화염전파 현상의 가시화 를 위한 실험은 A와 B 두 개의 폭발통 모두를 사용하였다. A용기는 전면을 투명한 폴리카보네이트로 교체하였다.
성능/효과
- Fig. 2의 b)에서 보여주는 것처럼 장애물을 통과하는 구간에서는 팽창된 연소가스의 통과 때문에 화염면의 전파속도가 증가하였으며, 전체적으로는 장물이 있는 경우가 없는 경우에 비하여 화염 전파속도가 증가하였으나 장애물을 통과한 후 화염면은 소용돌이를 크게 일으키고 있으며 이 소용돌이의 운동에 의하여 짧은 순간 화염전파 속도가 늦어졌으며, 이 과류가 용기 바닥면에 부딪처 깨지면서 난류의 확산이 증가되고 있으며, 난류가 심해지면서 화염전파속도는 다시 증가하는 현상을 볼 수 있었다.
- 둘째로 장애물에 의한 화염의 가속은 장애물 뒤에 형성된 와류의 흐름이 깨지면서 난류확산의 증기와 함께 속도의 증기가 일어남을 알 수 있었으며 일반적으로 장애물에 의해 화염전파속도가 가속되는 기구가 화염면의 깨어짐에 의한 radical 확산에 의한 것임을 다시 확인할 수 있었다.
- 셋째로 밀폐공간에서는 장애물에 의해 폭발압력과 압력상승속도가 크게 영향을 받지 않으며 혼합가스의 농도에 따른 연소특성에 영향을 받게 됨을 알 수 있었다.
- 두 그림에서 볼 수 있듯이 장애물의 유무에 따라 폭발특성 의 변화가 크게 나타나지 않음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 개방공간이 아닌 밀폐된 경우에는 장애물에 의한 영향보다는 농도에 의한 영향이 더욱 크며 용기내부에 전제적인 폭발에너지의 양에 따라 폭발압력이 영향을 받게 됨을 알 수 있었다.
- 첫째는 판상 장애물이 있는 경우 장애물 후면에서 발생하는 유체흐름의 와류 형성에 의하여 잠시동안 화염의 진행이 지체되는 현상이 있음을 알 수 있었다.
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