[논문]지하공동구 물분무 노즐 살수분포 해석

김엽래; 이동명; 박정렬

문제 정의

따라서, 본 연구는 지하공동구내 화재 발생시 연소확대가 되지 않도록 조기에 화원을 진압할 수 있는 지하공동구 물분무 헤드에 대한 살수분포를 수치해석적으로 분석하고 그에 맞는 노즐을 개발하는 것을 본 연구의 목적이며, 지하공동구 소화시스템의 선정 및 설계에 기여하고자 한다.
액적크기(Droplet size)와 분사각(Spray angle)이 주어지지 않았기 때문에 해석모델에 적합한 살수분포(Spray distribution)를 제공하는 액적크기와 분사각을 구하는 것이 본 해석의 목적이다. 따라서 액적크기와 분사각을 변화시키면서 노즐에서 분무된 액적이 지면 또는 노즐로부터 원하는 거리만큼 떨어진 높이에 도달할 때까지 미소시간증분에 대하여 반복 계산을 하였다.

가설 설정

주어진 조건으로부터 분사된 물의 평균유속을 구하면 물은 약 26m/s의 속도로 노즐에서 분사된다. 또한 분무는 Full Cone Spray 형태로 이루어진다고 가정하였다.

제안 방법

Fig. 1과 같이 일정한 각도(β°)를 가지는 두 개의 노즐이 설치되었을 경우에 대하여 분사각(α°), 노즐각(β°), 액적크기에 따라 살수분포를 구하였다. 이때(α°/2+β°) > 90°일 경우 천장에 물이 분무되어 실제 분무거리와 계산된 분무거리에 오차가 생기게 되므로 (α°/2+β°)가 90°를 넘지 않는 범위에서 각각의 분사각 및 노즐각을 조합하였다.
또한 수직하방으로 분사하는 노즐이 1개일 경우 2m 간격으로 노즐들이 설치되었다면 더 큰 분사반경이 필요하게 된다. 따라서 2개 이상의 노즐이 일정한 각도로 설치되어 있는 경우의 살수분포를 계산하였다.
분사노즐이 가져야할 액적크기와 분사각을 구하기 위해서는 중앙 상단에 위치한 노즐로부터 분사된 물이 어느 정도 도달하는지를 계산하여야 한다. 따라서 분사된 물의 액적크기와 분사각을 변화시켜 분사된 물의 도달거리, 즉 분사거리를 구하였다. 주어진 조건으로부터 분사된 물의 평균유속을 구하면 물은 약 26m/s의 속도로 노즐에서 분사된다.
액적크기(Droplet size)와 분사각(Spray angle)이 주어지지 않았기 때문에 해석모델에 적합한 살수분포(Spray distribution)를 제공하는 액적크기와 분사각을 구하는 것이 본 해석의 목적이다. 따라서 액적크기와 분사각을 변화시키면서 노즐에서 분무된 액적이 지면 또는 노즐로부터 원하는 거리만큼 떨어진 높이에 도달할 때까지 미소시간증분에 대하여 반복 계산을 하였다.
공동구 특성상 바닥뿐만 아니라 상단에도 분사된 물이 도달하여야 하므로 높이에 따라 분사반경의 변화를 계산할 필요가 있다. 따라서 지하공동구의 트레일이 바닥에서부터 최대높이가 1.6m이내에 설치되는 조건으로 살수분포를 계산하였다.
m 이상 되는 살수분포가 요구되며, 공동구의 특성상 상단 부위까지 물이 분무되어야 한다. 또한 살수분포는 분사각(Spray angle)과 분무되는 물 액적크기(Droplet size)의 함수이므로 수직 하방으로 분무하는 1개의 노즐로부터 물이 분무될 때 분사각과 액적크기를 변화시켜 어느 정도까지 분사된 물이 도달하는지를 구하였다. 물이 수직하방으로 분무되도록 노즐이 설치되어 있기 때문에 분무된 물은 원뿔(Circular cone)형태를 이루게 되므로 분사반경으로 나타내었다.
본 연구에서 노즐각을 10°(β°)일 경우에 대하여 해석하였으며, (α°/2+β°)가 90°를 넘지 않아야 하므로 분사각(α°)은 160° 이하여야 한다.
1과 같이 일정한 각도(β°)를 가지는 두 개의 노즐이 설치되었을 경우에 대하여 분사각(α°), 노즐각(β°), 액적크기에 따라 살수분포를 구하였다. 이때(α°/2+β°) > 90°일 경우 천장에 물이 분무되어 실제 분무거리와 계산된 분무거리에 오차가 생기게 되므로 (α°/2+β°)가 90°를 넘지 않는 범위에서 각각의 분사각 및 노즐각을 조합하였다. 또한 노즐이 일정한 각도로 기울어져 있을 경우 살수분포는 타원 형태로 나타나게 되는데, 노즐이 2m 간격으로 설치되어 있다고 가정할 때 분무거리는 폭방향으로 1m 이상, 대각선 방향으로 #m 이상 되어야 한다.
지하공동구의 트레일이 바닥에서부터 최대높이가 1.6m이내에 설치되는 조건으로 분사각(α°)이 0°일 때 1.6m 상단에서 살수되는 액적크기 및 분무반경을 기준으로 하였다.

이론/모형

Runge-Kutta Method는 Taylor급수전개에서 몇 번째 항까지를 취하였는가에 따라, 다시 말해 취하여진 항의 최대 미계수에 따라 정해지는데, 여기에서는 4계 Runge-Kutta Method를 사용하였으며, 식은 다음과 같다.
주어진 초기조건으로서 노즐에서 분사되는 유체의 평균유속이 주어졌을 경우 표현된 힘의 평형방정식의 해를 구하기 위하여 Runge-Kutta Method를 이용하였다.

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