초록 ▼

연구목표 : 본 연구의 목표는 다양한 연료의 환기 조건에 따른 연소가스 발생량을 계측하여 데이터베이스를 축적하고 이를 바탕으로 환기부족 구획화재의 연소가스 특성 예측에 적용할 수 있는 경험적 모델을 제시하는 것이다. 새롭게 제안되는 경험적 모델은 이전의 다양한 구획화재 실험 결과들과 비교하여 검증한다. 또한 다양한 환기 조건에 대한 파라미터 해석을 수행함으로써 구획화재에서의 연소가스 생성 및 분포 특성에 대한 물리적 이해를 증진시키고 소방 설비 및 방재 대책 수립에 유용한 데이터를 제공하는 것을 주요목표로 한다.
연구범위 :

연구목표 : 본 연구의 목표는 다양한 연료의 환기 조건에 따른 연소가스 발생량을 계측하여 데이터베이스를 축적하고 이를 바탕으로 환기부족 구획화재의 연소가스 특성 예측에 적용할 수 있는 경험적 모델을 제시하는 것이다. 새롭게 제안되는 경험적 모델은 이전의 다양한 구획화재 실험 결과들과 비교하여 검증한다. 또한 다양한 환기 조건에 대한 파라미터 해석을 수행함으로써 구획화재에서의 연소가스 생성 및 분포 특성에 대한 물리적 이해를 증진시키고 소방 설비 및 방재 대책 수립에 유용한 데이터를 제공하는 것을 주요목표로 한다.
연구범위 : 본 연구에서는 다양한 환기 조건 하에서 기상, 액상, 그리고 고상의 다양한 탄화수소 연료를 이용하여 화재 실험을 수행하고 산소, 이산화탄소, 일산화탄소, 그을음(soot) 등의 연소가스 발생량을 계측한다. 축적된 계측 데이터를 바탕으로 각 연소가스의 발생량을 환기조건에 따라 예측할 수 있는 경험적 모델을 제시한다. 또한 제시된 모델을 화재시뮬레이션 코드에 적용하고 해석 결과를 기존의 실험 연구 결과 및 본 연구의 계측 결과와 비교하여 제시된 모델을 검증한다.
실험장치의 구성 : 환기조건에 따른 연료생성물의 발생 농도를 계측하기 위해 실험 장치는 화원장치, 콘형 후드, 연소가스 샘플링 장치 및 가스성분 분석기, 온도센서, 광산란 측정장치 등으로 구성하였다. 기체 연료로 메탄, 액체 연료로 헵탄과 톨루엔, 고체 연료로는 폴리스틸렌 필렛을 사용하여 연소 실험을 수행하였다. 기체 및 액체 연료의 소모량은 버너로 공급되는 연료를 실시간 계측하여 사용하였으며 고체 연료의 경우 화원 하부에 설치된 로드셀을 이용하여 계측하였다. 연소실로 유입되는 공기의 량은 질량유량조절장치(MFC)를 통해 제어하였다.
연소가스 생성율 측정 및 분석 : 연료의 공급 유량을 고정한 상태에서 연소실 내부로 유입되는 공기량을 제어하여 총괄당량비(GER)를 조절함으로써 과환기 및 환기부족 화재 조건을 설정하였다. 상부에 설치된 강제배기 후드의 영향으로 연소가스의 자연스러운 상승유동이 발생하였으며 화염 축을 따라 열전대 트리를 통해 온도 변화를 관찰하였다. 후드 하부에서 연소가스를 샘플링하여 산소, 이산화탄소 및 일산화탄소 농도를 계측하였다. 헵탄, 톨루엔의 액체연료와 고체연료인 폴리스틸렌의 경우 광산란 측정 장치를 이용하여 그을음(soot) 농도를 계측하였다. 측정된 연소가스 농도를 혼합분율 개념을 기준으로 분석하였다. 총괄당량비가 증가됨에 따라 혼합분율 모델에 의햬 예측된 농도와의 오차가 크게 증가하는 경향을 보였다. 메탄 연료의 경우를 제외한 모든 경우에서 총괄당량비가 매우 낮은 과환기 조건에서만 혼합분율 모델의 예측결과가 유효함을 확인하였다. 총괄당량비가 화학양론비를 지나 환기부족 조건에 이름에 따라 혼합분율모델의 이산화탄소 농도 예측의 오차가 급격히 커지며 상향 예측하는 것을 확인하였다. 또한 일산화탄소와 그을음의 발생이 크게 증가하는 것을 확인하였다.
연소가스 생성율 모델 개발 및 파라미터 해석 결과 : 환기 조건에 변화에 따라 측정된 실험 결과를 바탕으로 각 연료에 대해 일산화탄소의 생성율 모델을 총괄당량비의 함수로 나타내는 실험 모델을 제시하였고 대표적인 화재 시뮬레이션 코드인 FDS에 적용하였다. 실험 및 해석 결과의 비교 결과, 본 연구에서 제시된 생성율 모델을 사용하여 개선된 혼합분율 모델은 환기부족 조건에서의 이산화탄소, 일산화탄소의 예측 성능을 크게 개선시키는 것을 확인할 수 있었다.
기대효과 : 본 연구를 통해 축적된 환기조건에 따른 연소가스 생성율 데이터와 새로운 생성율 모델을 적용하여 개선된 화재시뮬레이션 기법의 유효성과 적용성을 소방방재 분야의 논문과 저서, 학술대회 등을 통해 계속적으로 소개할 예정이다. 소방 설계 분야의 전문가 및 실무자를 대상으로 개선된 해석 기법을 소개하고 데이터를 제공함으로써 건축물의 성능위주 소방설계 분야에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.