4.1절에서 사용한 FDS 1차원 열분해 모델은 계산 시간이 빠르다는 장점이 있으나 화염을 모사하지 못한다는 단점이 있다. 이해 반해 4.2절의 FDS 3차원 열분해 모델은 선행 실험 없이 연소 환경 (복사열유속, 대류열전달의 강도, 산소 농도)을 고려하여 전 산 해석 할 수 있다는 장점이 있으나 전산 해석에 있어서 계산 시간이 느리다는 단점 이 있다. 따라서 4.3절에서는 FDS 1차원 열분해 모델의 전산 해석 상 단점을 보완하기 위해 3차원 열분해 모델의 해석 결과에서 화염으로부터 전달되는 복사열유속과 샘플 표면에 일어나는 대류열전달계수를 1차원 열분해 모델에 입력하여 화염이 발생된 것 과 유사한 열적 환경을 모사하고 주어진 환경에서 고체 가연물의 열분해 과정을 다시 해석하고 실험결과와 비교해 보았다.
Figure 4.21은 FDS 3차원 열분해 모델의 전산해석을 통해 PMMA 표면에 도달하는 총 열유속을 계산한 결과이다. 화염이 생성되기 전, PMMA 표면에서 받는 열유속은 약 50 kW/m2이지만 화염이 발달된 직 후, 표면에 도달하는 총 열유속은 화염 복사로 인해 75.9 kW/m2까지 상승하는 것을 볼 수 있다.
0 20 40 60 80 100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Base case
Net Heat Flux [kW/m2 ]
Time [s]
Figure 4.21 Net Heat flux on PMMA surface per unit time
0 5 10 15 20 25 30 35
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Base case
Heat Transfer Coefficient [W/m2 /K]
Time [s]
Figure 4.22 Heat Transfer Coefficient on PMMA surface per unit time
콘 히터에서 주어지는 열유속이 50.1 kW/m2임을 고려하면 화염 복사로 인해 생성되는 열유속은 25.8 kW/m2으로 참고문헌[13]에서 보고된 열유속 (약 20 kW/m2)과 거의 유사한 값을 갖는다. Figure 4.22는 FDS 3차원 열분해 모델을 통해 계산된 고체가연물 표면의 대 류열전달계수를 도시한 그래프이다. 대류열전달계수는 초기 콘 히터의 영향으로 100 s까 지 약 20 W/m2/K으로 꾸준히 상승하고 화염이 발달한 뒤 급격히 증가하여 약 27.5 W/m2/K에 도달한 뒤 준정상상태로 안정화된다.
Figure 4.23은 FDS 1차원 열분해 모델에 기체 연료의 연소 반응으로 생성된 화염의 복사 열전달과 가연물 표면의 대류열전달을 보완한 모델의 구성도이다. 앞서 언급한 바와 같이 해석 공간에 대한 격자수는 무의미하며 PMMA의 두께는 입력 값으로 10 mm를 입력하였고, PMMA 하단부에는 단열재인 Low density Ceramic wool을 10 mm로 입력하였다. PMMA의 열물성치와 열분해 물성은 FDS 3차원 열분해 모델과 동일하게 Table 4.1로 입력을 하였으며 PMMA가 받는 총 열유속은 EXTERNAL_FLUX_RAMP를 이 용하여 점화 전·후로 100초 이전에는 50.1 kW/m2, 100초 이후에는 75.9 kW/m2으로 설정 하였고, 대류열전달계수는 화염의 생성 후 계산된 27.35 W/m2/K로 입력하였다.
Figure 4.23 Schematic diagram FDS 1-dimensional PMMA pyrolysis model
Figure 4.24와 4.25는 각각 콘칼로리미터 연소실험과 FDS 전산 해석을 통해 얻어진 PMMA의 질량 감소와 단위 시간당 질량 감소율을 나타낸 그래프이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 3차원 열분해 모델과 1차원 열분해 모델을 통해 얻어진 결과와 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.
0 50 100 150 200
0 100 200 300 400 500 600 700 800
3D Pyrolysis model 1D Pyrolysis model Experiment [50kW/m2]
Mass [g]
Time [s]
Figure 4.24 Measured and calculated mass of Cone Calorimeter and FDS (3D pyrolysis model, 1D pyrolysis model)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
0 100 200 300 400 500 600 700 800
3D Pyrolysis model 1D Pyrolysis model Experiment [50kW/m2]
Mass Loss Rate [kg/s]
Time [s]
Figure 4.25 Measured and calculated Mass Loss Rate of Cone Calorimeter and FDS (3D pyrolysis model, 1D pyrolysis model)