[논문]환기가 제한된 세 개 격실에서 Pool Fire에 대한 FDS 검증분석

배용범; 이상규; 신병수; 김남석; 금오현; 박종석

문제 정의

본 연구에서는 격실 세 개가 연결되어 있는 공간에 대해서 화재분석코드인 FDS의 예측능력을 검증하였다. FDS 예측능력 검증을 위해 실물크기의 화재실증실험에서 측정된 온도, 열유속, 연소생성물 농도 값을 시뮬레이션 결과치와 비교하였다.
원자력발전소는 수많은 격실로 구성되어 있으며, 케이블 및 파이프 관통부를 제외하고 각 격실간의 연결은 환기시설(HVAC)과 방화문을 통해서만 이루어진다. 본 연구에서는 이러한 유형의 격실 세 개가 연결되어 있는 공간에 대해서 화재분석코드인 FDS의 예측능력을 검증하였다. 실물크기의 화재실증실험을 통한 온도, 열유속, 연소생성물 농도의 측정값을 시뮬레이션 결과치와 비교함으로써 FDS 예측능력에 대한 검증을 수행하였다.

제안 방법

가연성 액체연료인 TPH와 구조물의 초기온도와 상대습도는 각각 25℃, 40%로 설정하였으며, 구조물을 구성하고 있는 강화 콘크리트에 대한 경계조건은 Cp=740 J/kg/K, k=1.5W/m/K, ρ=2,200 kg/㎥ 등으로 설정하였다.
개구부를 통한 공기 유입 및 유출은 ±0.158 ㎥/sec로 실험조건과 동일하게 설정하여, 격실의 외부로부터 유입 및 유출되는 흐름이 없는 것으로 경계조건을 설정하였다.
158 ㎥/sec로 실험조건과 동일하게 설정하여, 격실의 외부로부터 유입 및 유출되는 흐름이 없는 것으로 경계조건을 설정하였다. 또한 유입 및 유출 공기의 온도 및 상대습도는 각각 25 ℃, 40 %로 설정하였다. FDS 시뮬레이션 진행과정에 대한 격실 내 환기 상태 및 화재 발전 상태를 그림 3에 표시하였다.
화재실증실험은 원자력발전소 격실과 유사한 구조와 조건으로 구성된 실증설비에서 수행되었다. 본 검증분석에서 적용된 실험조건은 세 개 격실이 개방된 문으로 연결되어 있으며, 각 격실에서는 공기의 출입을 위한 환기구가 각각 한 개씩 있어 강제 환기를 하고있다. 실증실험 진행 중에 개방된 문과 환기구를 제외하고 모든 개구부가 밀폐되어 있어 환기가 제한된 조건(Under-ventilation Condition)에서 화재가 진행된다.
본 연구에서는 이러한 유형의 격실 세 개가 연결되어 있는 공간에 대해서 화재분석코드인 FDS의 예측능력을 검증하였다. 실물크기의 화재실증실험을 통한 온도, 열유속, 연소생성물 농도의 측정값을 시뮬레이션 결과치와 비교함으로써 FDS 예측능력에 대한 검증을 수행하였다. 실물규모의 화재실증실험은 OECD/NEA PRISME Project를 통해 수행되었으며, 이러한 화재실증실험 결과를 온도, 열유속, 농도 측면에서 화재분석코드 FDS(v.
연료의 질량소모율(단위시간당 연소된 질량, MLR [g/s])에 TPH의 연소열(단위 질량당 발생한 열, ΔHc [kJ/kg])을 곱하여 열방출률(Heat Release Rate)을 추정하였다.
화재실증실험은 원자력발전소 격실과 유사한 구조와 조건으로 구성된 실증설비에서 수행되었다. 본 검증분석에서 적용된 실험조건은 세 개 격실이 개방된 문으로 연결되어 있으며, 각 격실에서는 공기의 출입을 위한 환기구가 각각 한 개씩 있어 강제 환기를 하고있다.
화재실증실험을 통해 얻은 TPH 연료의 질량소모율 결과를 화재분석코드(FDS) 화재설정의 입력값으로 활용하였다. 연료의 질량소모율(단위시간당 연소된 질량, MLR [g/s])에 TPH의 연소열(단위 질량당 발생한 열, ΔHc [kJ/kg])을 곱하여 열방출률(Heat Release Rate)을 추정하였다.

대상 데이터

실증실험 진행 중에 개방된 문과 환기구를 제외하고 모든 개구부가 밀폐되어 있어 환기가 제한된 조건(Under-ventilation Condition)에서 화재가 진행된다. 격실 구조는 0.3m 두께의 콘크리트로 벽, 천정, 바닥으로 구성되어 있으며, 각 격실의 크기는 폭 6m, 길이 5m, 높이 4m로 되어 있다. 각 격실을 연결하는 개방된 두 개의 문은 폭 1.
본 연구에서 사용된 Grid Cell의 크기는 최대 2,500kW의 열방출률(HRR)을 발생하는 Pool Fire를 적절히 시뮬레이션 할 수 있는 0.1m로 설정하였다. Characteristic Fire Diameter(D^*)와 Grid Cell 크기(δx)의 비로 표현되는 격자 민감도는 14 이므로 FDS의 Mesh Resolution Recommendation (D^*/δx ≥ 10)을 충분히 만족하였다.

데이터처리

본 연구에서는 격실 세 개가 연결되어 있는 공간에 대해서 화재분석코드인 FDS의 예측능력을 검증하였다. FDS 예측능력 검증을 위해 실물크기의 화재실증실험에서 측정된 온도, 열유속, 연소생성물 농도 값을 시뮬레이션 결과치와 비교하였다. 세 개의 격실 공간 내에서 Pool Fire에 대한 FDS의 예측능력은 실험값 대비 온도의 경우 약 25 % 오차범위를 나타냈으며, 열유속은 약 5 % 오차범위, 농도는 약 15 %의 오차범위를 나타내었다.
실물크기의 화재실증실험을 통한 온도, 열유속, 연소생성물 농도의 측정값을 시뮬레이션 결과치와 비교함으로써 FDS 예측능력에 대한 검증을 수행하였다. 실물규모의 화재실증실험은 OECD/NEA PRISME Project를 통해 수행되었으며, 이러한 화재실증실험 결과를 온도, 열유속, 농도 측면에서 화재분석코드 FDS(v.5.5)의 예측값과 비교분석 하였다.

성능/효과

Characteristic Fire Diameter(D*)와 Grid Cell 크기(δx)의 비로 표현되는 격자 민감도는 14 이므로 FDS의 Mesh Resolution Recommendation (D*/δx ≥ 10)을 충분히 만족하였다.
추정된 열방출률을 FDS에 입력하여 시뮬레이션한 결과와 실증실험을 통해 취득한 열방출률 비교 결과를 그림 2에 나타내었다. FDS의 열방출률은 실험으로부터 얻어진 열방출률 결과와 유사한 추이를 보이고 있어, Pool Fire에 대한 Mesh Resolution이 적절히 설정되었음을 확인하였다.
FDS 예측능력 검증을 위해 실물크기의 화재실증실험에서 측정된 온도, 열유속, 연소생성물 농도 값을 시뮬레이션 결과치와 비교하였다. 세 개의 격실 공간 내에서 Pool Fire에 대한 FDS의 예측능력은 실험값 대비 온도의 경우 약 25 % 오차범위를 나타냈으며, 열유속은 약 5 % 오차범위, 농도는 약 15 %의 오차범위를 나타내었다.
55m 높이)에서의 온도를 시뮬레이션값과 비교하여 그림 4 ∼ 8에서 나타내었다. 화재발생 격실에서의 FDS 온도 예측치는 실제 온도보다 낮게 예측되었으며, 두 번째 격실에서는 거의 일치하였고, 세 번째 격실에서는 FDS 예측치가 높게 나타났다. 첫 번째 문에서의 온도는 FDS 예측값과 실측치가 유사한 경향을 보였으나, 두 번째 문에서는 FDS 예측값이 높게 나타났다.

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