환기부족 구획화재에서 수직 개구부의 형상 및 위치가 화재특성에 미치는 영향
문선여·박충화·황철홍†·박설현*
대전대학교 소방방재학과, *한국항공우주연구원 항공우주융합기술연구소 우주과학연구팀
Effects of the Geometry and Location of an Vertical Opening on the Fire Characteristics in the Under-Ventilated Compartment Fire
Sun-Yeo Mun · Chung-Hwa Park · Cheol-Hong Hwang† · Seul-Hyun Park*
Department of Fire & Disaster Prevention, Daejeon University
*Space Science Research Team, Aerospace Convergence Technology Research Laboratory (ACTRL), Korea Aerospace Research Institute (KARI)
(Received February 20, 2013; Revised April 5, 2013; Accepted June 14, 2013)
요 약
실규모 환기부족 구획화재에서 수직 개구부의 형상 및 위치변화에 따른 열 및 화학적 화재특성 변화를 수치적으로 검 토하기 위하여, 이론적 최대 공기 유입량을 결정하는 환기인자( )와 heptane pool 화재의 질량 감소율이 모든 조건 에 대하여 동일하게 설정되었다. 주요 결과로서, 출입문 형상의 변화는 구획 내부의 열 및 화학적특성 변화에 큰 영향을 미친다. 창문 위치의 변화는 화재지속시간 및 재순환 유동구조를 포함한 추가적인 화재특성의 복잡한 변화를 초래하였다.
이들 결과는 개구부 유동 및 연료/공기의 혼합현상을 포함한 다차원 유동 및 화재특성을 통해 상세히 분석되었다.
ABSTRACT
To investigate numerically the effects of geometry and location of vertical opening on the thermal and chemical fire characteristics in full-scale under-ventilated compartment fires, the ventilation factor ( ) to estimate a theoretical maximum inflow of ambient air and the mass loss rate in a heptane pool fire were fixed for all cases. It was shown that variations in door geometry affected significantly the change in thermal and chemical characteristics inside the compart- ment. Variations in window location resulted in the complex change in additional fire characteristics including the fire duration time and recirculating flow structure. These results were analyzed in details by the multi-dimensional flow and fire characteristics including the vent flow and fuel/air mixing phenomena.
Keywords : Compartment fire, Under-ventilated fire, Ventilation factor, Vertical opening, Opening configuration
1. 서 론
구획화재의 특성은 가연물의 종류 및 분포, 구획의 형상, 외부의 바람 및 습도 등에 의해 큰 변화를 보이며, 개구부 의 형상 및 위치에 따른 환기조건의 변화 역시 구획화재의 특성을 결정하는 매우 중요한 인자로 알려져 있다. 특히 완전 연소조건을 기준으로 가연 연료에 비해 공기의 양이 부족한 상태에서 발생되는 환기부족화재(환기지배형화재) 는 개구부를 통해 유입되는 환기조건에 의해 매우 큰 변화 를 겪게 된다(1,2).
개구부의 조건에 따른 환기조건의 변화가 구획화재에
미치는 영향에 관한 선행연구는 크게 3가지로 분류될 수 있다. 첫째, 수직 및 천정 개구부의 존재 유무 및 면적 변 화에 따른 구획화재의 특성에 관한 연구이다. Merci 등(3,4) 은 실험 및 수치연구를 통해 천정 개구부의 면적변화에 따 른 연기층의 평균 온도 및 높이 변화를 검토하였으며, Yii 등(1)역시 천정 개구부의 면적이 증가함에 따라 수직 개구 부를 통해 유입되는 공기량이 선형적으로 증가됨을 확인 하였다. 두 번째는 개구부의 조건 변화에 따른 back-draft 및 출화(flame projection) 발생에 관한 연구로서, Weng 등(5)은 수직 개구부 및 천정 개구부의 형상변화는 구획 내 부의 THC(total hydrocarbon)의 농도 변화를 초래하여 결
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†Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
†TEL: +82-42-280-2592, FAX: +82-42-280-2596
ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2013.27.3.020
과적으로 back-draft의 발생여부를 결정짓는 중요한 인자 임을 확인하였다. Snegirev 등(6)은 수직 개구부의 면적 변 화를 통해 출화 시간에 큰 변화가 있음을 보고하였다. 마 지막으로 구획 내부의 환기조건을 예측하기 위하여 개구 부를 통해 유입되는 공기의 질량유량 예측모델 개발 및 검 증에 관한 많은 연구들이 수행되었다. 대표적으로 Quintiere
등(7-9)은 수직 개구부를 door와 window의 형상으로 구분
하여 면적 및 위치에 따라 공기 유입량을 정확히 예측하기 위한 공식을 지속적으로 개선하였다. 위와 같이 개구부를 통한 정확한 환기조건 예측 및 구획 내부의 연기층 온도 및 높이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 개구부의 조건변화에 따른 구획 내부의 복잡한 유동구조 및 화염거 동에 관한 연구는 매우 부족한 실정이다.
개구부의 형상 및 위치변화는 구획 내부의 화염거동과 매우 복잡한 상호작용을 경험하게 된다. 즉, 개구부의 조 건 변화는 구획 내·외의 압력 차이로 발생되는 공기 유입 량, 총괄당량비, 발열량 및 온도 변화를 초래하게 된다. 이 때 화염으로부터 피드백되는 복사열의 변화가 발생되며, 연료의 질량소모율(고체 가연물의 경우 열 분해율)이 변화 된다. 이로 인해 구획 내의 추가적인 열 및 농도의 변화가 발생될 수 있다. 최근 Hwang 등(2)은 ISO 9705 실규모 구 획화재 실험을 통해 동일 발열량의 조건에서 개구부의 면 적(개구부의 폭)이 변화됨에 따라 구획 내부의 연소효율, 온도 및 화학종의 농도에 큰 변화가 있음을 총괄당량비의 변수를 통해 정량적으로 확인한 바 있다. 그러나 위 연구 에서 언급되었듯이 개구부의 형상변화는 연료의 질량소모 율 및 유입 공기량을 동시에 변화시키기 때문에 개구부의 조건 변화가 구획 내부의 화재특성에 미치는 복잡한 원인 을 이해하는 데는 많은 한계가 있다.
이러한 배경 하에 개구부의 형상 및 위치변화가 구획 내 부의 열 및 화학적특성 변화에 미치는 영향을 단계적으로 이해하기 위하여, 연료의 공급속도(연료의 질량소모율) 그 리고 이론적 최대 공기 유입량을 예측할 수 있는 환기인자 (A )를 고정한 조건에서, 수직 개구부의 형상 및 위치변 화가 구획 내부의 화재특성에 미치는 독립적인 영향을 수 치해석을 통해 검토하였다. 또한 비정상 및 다차원 유동구 조 및 화염거동 분석을 통해 개구부 변화로 인한 구획 내 부의 보다 상세한 화재현상 차이를 확인하고자 한다.
2. 수치해석 방법 및 조건
2.1 수치해석 방법
환기조건에 따른 화재현상을 수치모사하기 위해 LES (Large Eddy Simulation)의 수행이 가능한 FDS(ver. 5.1.6, SVN 1710)(10)가 사용되었다. FDS에서는 지배방정식의 차 분을 위하여 공간에 대해서는 유한체적법을 이용한 2차 정확도의 중심 차분법이 사용되었다. 시간적분에 대해서는 전체적으로 2차 정확도를 갖는 양해법(explicit) 예측-교정
자법이 적용되었다. 또한 열유속( )은 복사열전달 방정식 의 유한체적법(11)을 통해 고려되었다. FDS ver. 5에서는 화염의 국부적인 소염, CO의 생성·소멸을 간략히 고려하 기 위하여, 단일 혼합분율 모델에서 3단계 혼합분율 모델 로 개선되었다. 그러나 soot 생성에 관한 모델은 포함되지 않았기 때문에 연료 소모율과 soot 생성량의 질량비로 표 현되는 수율(yield)값은 0.015로 설정되었다(12).
2.2 검증대상 실험 및 계산조건
수치계산의 검증은 미국표준기술연구소(NIST)에서 수 행된 실험결과(13)를 인용하였다. 구획화재실험은 Figure 1 에 도시된 2.4 m×2.4 m×3.6 m의 크기를 갖는 ISO 9705 표준화재실에서 실시되었으며, 표준화재실의 출입구는 0.8 m(폭)×2.0 m(높이)이지만, 환기부족화재를 구현하기 위하여 출입구의 폭을 0.2 m로 축소하였다. 연료로는 헵탄 (C7H16)이 사용되었으며, 0.5 m2의 정사각형 버너(pan)가 구획 바닥면 중앙에 설치되었다. 평균 발열량은 1480 kW 이며, 구획 내부의 총괄당량비는 2.16으로 환기부족화재에 해당된다. 구획 내부의 온도 및 농도를 측정하기 위하여 Figure 1에서와 같이 고온 상층부의 두 위치에서 온도와 O2, CO2, CO 및 THC(total hydrocarbon)들이 측정되었다.
모든 화학종에 대한 정보는 습기준(wet-basis)으로 변환되 었다. 천정과 바닥에 각각 3개의 열유속계(total heat flux
gauge)가 설치되었다. 보다 자세한 실험 방법 및 측정 불
확실도(uncertainty)는 NIST TN 1603(14)서 확인될 수 있다.
서론에서 언급되었듯이 개구부의 변화는 구획 내부의 화재특성을 변화시켜 결과적으로 연료의 질량소모율 변화 와 상호작용을 하게 된다. 그러나 개구부의 변화가 구획 내부의 화재거동에 미치는 독립적인 영향을 검토하기 위하 여, 모든 조건에 대하여 Figure 2에서와 같이 선행실험(14)에 서 측정된 시간에 따른 연료의 질량소모율이 화원에 동일
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Figure 1. Perspective views of the ISO 9705 room and loca- tion of measurements.
하게 적용되었다. Figure 3에 제시된 바와 같이 개구부의 형상 및 위치변화는 총 7가지가 고려되었으며, 선행 실험 조건(W02L과 동일)의 이론적 최대 공기 유입량(질량유량) 은 다음 식에 의해 결정되었다(15).
(1) 여기서 A는 수직 개구부의 면적, h는 높이를 의미한다. 개 구부의 형상 및 위치가 변하더라도 모든 조건의 이론적 는 W02L과 동일하게 고려되었다. 수직 개구부의 형상 변화는 Figure 3의 Part I과 같이 W02L, W04L, W06L 및 W08L으로 구성되었다. 고정된 바닥면의 위치에서 개구부 의 폭이 0.2 m, 0.4 m, 0.6 m 및 0.8 m로 변화된 것으로서, 실질적으로 출입문(door)의 형상변화로 분류될 수 있다.
Part II는 개구부의 위치가 변화된 조건으로서, 개구부가 하부, 중간 및 상부에 설치된 조건이다. 응용적 측면에서 위 결과들은 창문(window)의 위치에 따른 화재특성으로
분류될 수 있다. 마지막으로 Part III는 개구부의 입구 및 출구가 분리된 조건으로, 실제 구획에서는 쉽게 적용되지 않는 개구부의 조건이다. 그러나 많은 연구(16,17)에서 공기 의 유입 및 연소생성물의 배출량을 보다 정확히 측정하기 위해 적용되는 개구부 형상이다.
본 계산에 적용된 격자계는 민간도 분석(18)을 통해 평균
5.0 cm의 크기의 격자가 적용되었으며, 개구부의 유동 및
화염거동을 명확히 해석하기 위하여 개구부 근처에 1.25 cm 크기의 추가적인 미세격자가 삽입되어, 총 80만개 격 자가 적용되었다.
3. 결과 및 검토
Figure 4는 환기부족 구획화재에서 수직 개구부의 형상
및 위치변화에 따른 고온 상층부의 앞과 뒷부분에서 측정 된 시간에 따른 온도를 도시한 결과이다. 먼저 앞부분의 온도를 나타내는 Figure 4(a)를 살펴보면, 실험결과는 측 정 불확실도와 함께 심볼로 표현되었다. 실험조건과 동일 한 개구부를 갖는 W02L의 예측결과는 실험결과를 정량적 으로 매우 정확하게 예측하고 있다(18). 출입문의 형상변화 (즉, 폭과 높이의 비를 나타내는 종횡비의 변화)가 고려된 W02L, W04L, W06L 및 W08L의 결과를 비교할 때, 종횡 비가 감소되는 W02L→W08L의 변화에 따라 초기 점화 및 성장단계를 제외하고 점차적으로 감소되는 결과를 볼 수 있다. 최대 및 최소값을 보이는 W02L과 W08L의 온도 는 평균적(200 s에서 500 s 사이의 시간적 평균값 기준)으 로 약 210oC의 차이를 갖는다. 또한 화염이 소화되는 순 간은 모든 조건에서 약 500 s로서, 연료의 동일한 질량소 모율이 적용될 때 출입문의 형상변화는 화재지속시간(fire duration time)에는 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 창문 의 위치변화에 따른 온도변화는 W08L, W08M 및 W08H 의 비교를 통해 분석될 수 있다. W08L의 조건이 가장 높 m·
a≈0.52A h=0.294 kg/s
m·
a
Figure 2. Fuel mass and mass loss rate as function of time elasped from ignition.
Figure 3. Vertical opening configurations with an identical ventilation factor (A h).
은 온도값을 갖으며, W08M이 가장 낮은 온도를 보여주고 있다. 이들의 최대 평균 온도차는 약 190oC이다. 화재지속 시간의 관점에서는 창문의 위치가 높아짐에 따라 (W08L→
W08H) 화재지속시간은 점차적으로 증가되는 결과를 갖게
된다. 흥미로운 사실은 W08H가 W08M에 비해 더욱 높은 온도에도 불구하고 더욱 오랜 시간동안 화재가 지속된다 는 것이다. 이에 대한 보다 상세한 원인은 화학종의 농도, 구획 내부의 유동구조 및 화염거동을 통해 분석될 예정이 다. 마지막으로 공기의 유입구 및 고온 연소생성물의 배출 구가 분리된 W08D의 경우, 모든 조건 중 가장 높은 온도 를 갖으며, 실험조건(또는 W02L 조건)에 비해 평균적으로
21 % 상승된 온도값을 보여주고 있다. 화재지속시간은 약
470 s로서 본 연구에서 검토된 출입문 조건(약 500 s)보다 오히려 짧은 화재지속시간을 갖고 있다. 연료의 질량소모 율을 나타내는 Figure 2를 통해 확인될 수 있듯이, 연료 공급이 감소되는 시점인 약 470 s 순간에 소화현상이 발생 된다. 이는 다른 개구부 조건(즉, 환기부족화재)과는 다르
게, W08D의 조건이 공급되는 연료에 의해 지배되는 과환 기화재의 특성을 갖고 있음을 의미한다. 고온상층부의 뒷 부분 온도를 나타내는 Figure 4(b)의 결과를 살펴보면, 개 구부의 조건변화에 따른 정량적인 차이를 제외하고 Figure 4(a)의 결과와 매우 유사한 경향을 확인할 수 있다. 출입문 의 형상변화에 따른 W02L과 W08L의 최대 온도차는 약 190oC이며, 창문 위치변화에 따른 W08L과 W08M의 최 대 온도차는 185oC이다. 마지막으로 W08D는 실험(또는
W02L)에 비해 약 35 %의 높은 온도차를 보이고 있다. 주
목할 만한 내용으로서 출입문 및 창문의 형상을 갖는 개구 부 조건에서는 평균적으로 고온 상층부의 앞부분이 뒷부 분에 비해 높은 온도를 갖는 반면에 W08D는 뒷부분이 오 히려 높은 온도를 갖는다는 것이다. 이러한 현상은 구획 내부의 주요 반응이 발생되는 위치(화염 위치) 및 유동패 턴에 의해 해석(19)될 수 있으며, 이후 다차원 분석결과를 통해 제시될 예정이다.
Figure 5는 천장 및 바닥 뒷부분에서의 총 열유속(대류
Figure 5. Total heat fluxes at the ceiling and floor location in rear.
Figure 4. Temperatures at the front and rear location in upper layer with the change in opening configuration.
및 복사 열유속의 합)을 비교·도시한 결과이다. 먼저 W02L의 계산결과와 실험결과를 비교하면, 약 100 s 이후 에 예측결과는 온도변화와 유사하게 점차적으로 증가되는
반면에, 실험결과는 시간에 따라 거의 일정한 값을 유지하 고 있다. 이러한 원인은 선행연구(18)에서도 언급되었듯이, FDS의 예측 정확도 한계보다는 다량의 soot이 열유속계의 표면을 덮어서 추가적인 열유속 증가를 계측하지 못하는 측정 상의 어려움에 의해 발생된 것으로 판단된다. 천장에 서의 결과인 Figure 5(a)에서 출입문의 형상이 변화된 W02L, W04L, W06L 및 W08L의 비교할 때, 온도결과와 유사하게 종횡비가 감소함에 따라 총 열유속은 점차적으 로 감소되는 결과를 볼 수 있다. W02L과 W08L의 최대 차이는 약 90 kW/m2이다. 창문의 위치변화에 따른 결과 역시 W08L>W08H>W08M의 순서를 갖으며, 최대 차이 는 약 50 kW/m2이다. 마지막으로 W08D는 다른 조건에 비해 가장 높은 열유속을 갖으며, 예측된 W02L의 결과에 비해 약 150 % 이상의 높은 열유속을 갖는다. 바닥면에서 의 열유속(Figure 5(b)) 역시 개구부의 조건변화에 따라 천 정에서의 결과와 유사한 경향을 보이고 있다.
Figure 6. Volume fractions of O2, CO2, CO at front sam- pling probe location.
Figure 7. Air mass flow rates into opening with the change in opening configurations; (a) transient and (b) time-aver- aged data (200 s≤t≤500 s).
Figure 6은 고온 상층부 앞부분에서 측정된 O2, CO2, CO의 측정 및 계산결과를 비교·도시한 것이다. 먼저 O2
에 관한 Figure 6(a)를 살펴보면, 출입문 형상이 변화된 조 건들은 모두 약 100 s 이후에 0에 가까운 체적분율을 보여 주고 있다. 창문의 위치변화에 따른 결과 중 W08M 및
W08H 역시 1.5 %의 매우 낮은 값을 나타내고 있다. 이러
한 결과들은 출입문 및 창문의 조건들이 모두 충분한 환기 부족화재에 해당됨을 재확인해줄 수 있는 근거이다. 마지 막으로 W08D는 W08M 및 W08H와 유사한 값을 갖지만, 출입구 형상변화의 조건에 비해 470 s에서 O2가 급격하게 증가되는 것을 볼 수 있다. 즉, Figure 4에서도 언급되었듯 이 W08D는 가장 짧은 화재지속시간을 갖게 된다. 추가적 으로 연료의 질량소모율(Figure 2)과 온도결과(Figure 4)의 분석을 통해 W08D는 과환기화재의 특성을 갖는다는 결 론에 도달하였으나, 구획 내부의 0에 가까운 O2의 관점에 서는 상당한 오해를 제공할 수 있다. 그러나 본 연구의 뒷 부분에서 제시된 다차원 유동구조에서 확인되듯이, 분리된 개구부로 인하여 천장 근처에서는 주로 반응한 연소생성 물이 존재하며, 이로 인하여 0에 가까운 값을 갖게 된다.
Figure 6(b)는 CO2의 결과로서, 실험결과는 불완전연소로 인하여 시간증가에 따라 감소되는 현상를 보이고 있다. 그 러나 W02L의 계산결과는 초기 점화 이후 비교적 균일한
값을 나타낸다. 이러한 예측 정확도의 한계는 이미 많은 연구들에서 제시된 바와 같이 FDS에 적용된 간단한 혼합 분율 모델의 한계로 인식되고 있다(18). 출입문 형상변화에 따른 조건들은 온도와 유사하게 W02L>W04L>W06L>
W08L의 순서를 보이고 있다. 창문의 형상변화에 해당되 는 조건들 역시 온도와 유사한 결과를 나타내고 있다.
Figure 6(c)는 CO를 도시한 것으로서, 모든 결과들이 CO2
와 정반대의 현상을 보여주고 있다. 특별히 강조될 수 있 는 부분은 W08D의 CO 예측값이 평균적으로 1 % 이하이 며, 이는 위에서 언급된 바와 같이 환기부족화재에 해당되 는 다른 조건에 비해 매우 낮은 수치이다. 본 논문에는 제 시되지 않았으나, 고온 상층부 뒷부분에서 측정된 각 화학 종의 결과 역시 정량적으로 앞부분과 동일하였다.
동일한 연료 소모율이 적용된 본 연구에서 환기부족화 재의 열 및 화학적특성은 개구부를 통해 공급되는 공기량 (즉 환기량)에 의해 주로 결정되어진다. 수직 개구부의 형 상 및 위치변화에 따른 화재특성을 분석하기 위하여,
Figure 7은 개구부를 통해 유입되는 공기의 질량유량을 시
간 및 평균적인 관점에서 도시한 결과이다. 시간에 따른 변화를 도시한 Figure 7(a)를 살펴보면, 모든 조건에서 앞 서 언급한 것처럼 약 100 s 이후 환기부족화재에 도달하면 서 비교적 일정한 양의 공기가 유입되고 있음을 볼 수 있
Figure 8. Mean distributions of HRRPUV, velocity vector and flow streamline on y-z plane (at x=1.2 m) for the cases of W02L, W04L, W06L and W08L.
다. 출입문 형상변화에 따른 결과들은 큰 차이를 보이지 않지만, 온도 및 CO2와 유사한 경향을 나타내고 있다. 창 문 위치변화에 따른 결과 역시 온도와 유사한 결과를 보여 주고 있다. 특히 W08M에 비하여 W08H의 조건에서 화염 온도가 높은 이유는 구획 내부로 유입되는 공기의 양이 상 대적으로 많기 때문임을 명확히 알 수 있다. 또한 W08D 는 출입문 및 창문 형상변화의 조건에 비해 약 2배 이상의 많은 공기가 구획 내부로 유입되어 상대적으로 과환기화 재로 분류될 수 있음을 알 수 있다. 이들에 대한 보다 정 량적인 분석은 200 s≤t≤500 s 동안의 평균된 값을 제시한 Figure 7(b)를 통해 재확인될 수 있다. 그림에 이론적 최대 공기유입을 결정하는 0.52A 의 값이 기준선으로 표기 되었다. 그 결과 출입문의 형상변화에 의한 조건들은 이론 값에 근접한 반면에, 창문의 위치변화 조건들은 이론값을 기준으로 보다 큰 오차를 유발하고 있음을 알 수 있다. 또 한 분리된 개구부가 적용된 W08D의 경우 이론적 환기변 수의 적용에 큰 문제가 있다는 중요한 정보를 확인할 수 있다.
출입문 형상변화에 따른 구획 내부의 다차원 화염 및 유 동구조를 확인하기 위하여, Figure 8은 W02L, W04L, W06L 및 W08L의 조건에 대하여 x=1.2 m의 y-z 단면에 서 200 s~500 s 동안 시간 평균된 단위체적당 열발생율, 속도벡터, 유선 및 이론 화염면을 도시한 결과이다. 먼저
h
Table 1. Mean Velocities and Neutral Plane Ratios on the Doorway Centerline
Vin (m/s) Vout (m/s) Zn/Hv (%) W02L 2.34 −5.10 31.7 W04L 1.69 −-4.20 33.3 W06L 1.18 −3.38 35.2 W08L 1.16 −2.70 37.1 W08M 0.65 −2.08 45.1 W08H 0.69 −2.44 40.1
W08D 1.77 −9.08 -
이론 혼합분율에 의해 표현될 수 있는 이론 화염면의 길이 를 살펴보면, 개구부의 종횡비가 감소되는 W02L→W08L 로 변화됨에 따라 화염길이는 점차적으로 감소되는 현상 을 확인할 수 있다. 동일한 환기변수인 A 의 조건에서 종횡비의 감소는 결과적으로 개구부의 면적증가를 가져온 다. 그 결과 Figure 7에서 도시된 바와 같이 유사한 질량 유량에 대하여 감소되는 유속에 의해 화염길이는 점차적 으로 감소하게 된다. 참고로 출입문 형상변화에 따른 평균 유입속도(Vin) 및 배출속도(Vout) 그리고 개구부의 전체 높 이에 대한 중성대의 높이 비(Zn/Hv)는 Table 1에 제시되었 다. 이러한 원인은 구획 외부에서 생성되는 화염면의 형상
h
Figure 9. Mean distributions of temperature at x=1.2 m for the cases of W02L, W04L, W06L and W08L.
에도 큰 영향을 주고 있다. W02L→W08L로 변화됨에 따 라 화염면 끝부분의 날카로움이 저감되는데, 이는 감소되 는 출구 유속에 의해 화염면에 경험하는 화염신장(flame stretch)이 저감되기 때문이다. 추가로 출입문 형상변화에 따른 구획 내부의 유동패턴은 개구부 근처를 제외하고 모 든 조건에서 유사한 반시계 방향의 재순환 유동구조를 보 이고 있다.
Figure 9는 Figure 8과 동일한 조건에서 구획 내부의 온 도분포를 도시한 결과이다. 모든 조건에 대하여 개구부 근 처의 높은 온도는 반시계 방향의 재순환 유동을 통해 점차 적으로 감소되는데, 이는 체류시간 증가에 따라 벽면의 전 도 및 복사 열손실을 경험하기 때문으로 판단된다. 동일한 연료 소모율의 조건에서 구획 내부의 온도는 유입되는 공 기의 질량유량에 의해 가장 큰 영향을 받는다. 그러나 W08L은 W06L에 비해 많은 양의 공기가 유입됨(Figure
7(b) 참조)에도 불구하고, 오히려 낮은 온도를 갖게 된다.
이에 대한 원인은 개구부의 높이 및 유속을 통해 추측될 수 있다. Table 1에서 확인되듯이 종횡비의 감소에 따라 개구부 높이에 대한 중성대의 비는 점차적으로 증가된다.
그러나 W08L의 조건은 매우 낮은 중성대의 절대적 높이 로 인하여 배출되던 연소생성물이 공기류와 함께 재 유입
Figure 10. Mean distributions of HRRPUV, velocity vector and flow streamline at x=1.2 m for the cases of W08M and W08H.
Figure 11. Mean distributions of temperature at x=1.2 m for the cases of W08M and W08H.
되는 혼합현상이 촉진된다. 특히 개구부 근처의 낮은 유속 의 경계층에서 분자확산에 의한 혼합은 더욱 많은 양의 연 소생성물을 구획 내부로 다시 유입시키는 결과를 초래할 수 있다. 결과적으로 W08L은 다른 출입문 형상변화 조건 에 비해 화염면 근처의 낮은 농도의 O2가 전달되며, 이로 인하여 화염온도는 상대적으로 가장 낮은 값을 갖게 된다.
위 분석결과에 대한 보완은 Figure 6(c)에서 W08L의 상대 적으로 높은 CO의 양을 통해서도 이루어질 수 있다.
Figure 10은 창문의 위치변화에 따른 구획 내부의 열발
생량, 유속 및 이론 화염면을 도시한 결과이다. 참고로 W08L의 조건은 Figure 8(d)에서 확인될 수 있다. 창문의 위치가 증가됨에 따라 화염면의 길이는 증가되며, 이는
Table 1에 제시된 바와 같이 개구부에서의 배출 및 유입되
는 유속이 증가됨에 따라 발생되는 현상이다. W08H의 경 우 천장 근처에 개구부가 존재하며, 이는 배출되는 연소생 성물이 상대적으로 높은 화재실의 온도로 인해 더욱 큰 부 력효과를 갖을 수 있다. 결과적으로 W08M에 비해 높은 배출 속도를 갖으며, 질량보전의 관점에서 더욱 많은 양의 공기가 구획 내부로 유입하게 된다. 그러나 이러한 논리는 가장 큰 배출 및 유입속도를 갖는 W08L의 결과에 적용될 수 없음을 Table 1을 통해 확인될 수 있다. 이는 W08L의 경우 개구부가 구획 바닥면에 설치되어 W08M 및 W08H
와는 다른 베나 콘트렉타 효과(vena contracta effect)(20)를 갖기 때문으로 사료된다.
Figure 11은 창문의 위치변화에 따른 구획 내부의 온도
분포를 도시한 결과이다. 그림에서 W08H는 W08M에 비 해 개구부 근처에서 상대적으로 높은 온도를 보이고 있다.
이는 Figure 7과 Figure 10에서 분석되었듯이, 개구부 근 처의 높은 유속으로 더욱 많은 양의 공기가 구획 내부로 유입되었기 때문이다. 그러나 위 결과만으로는(Figures 4~
6에서 확인된 바와 같이) W08H의 조건이 W08M에 비해 상대적으로 높은 온도를 유지하면서도 오랜 화재지속시간 을 갖게 되는 원인 규명에는 한계가 있다. 이를 위해 구획 내부에서 y 방향의 유속이 0이 되는 위치를 기준(Figure 10 참조)으로 반시계 방향의 재순환 유동층 높이를 Figure 11에 h로 표기하였다. 그 결과 W08H는 W08M에 비해 상 당히 좁은 재순환 유동층 높이를 갖게 된다. 이러한 유동 층의 높이 변화는 구획 내부의 온도 및 화재지속시간에도 큰 영향을 미칠 수 있다. Figure 8에서 언급되었듯이 개구 부 근처의 높은 온도는 반시계 방향의 재순환 유동을 통해 점차적으로 감소하게 된다. 그러나 W08H는 짧은 재순환 유동층의 높이로 인하여 낮은 열손실과 함께 구획 내부의 높은 온도를 유지할 수 있다. 또한 가연 연료가 존재하는 하부와의 혼합도가 감소함에 따라 버너로부터 공급된 하
부의 연료가 반응에 참여하기 위한 지연시간이 증가하게 된다. 결과적으로 화재지속시간은 W08M에 비하여 상대 적으로 증가하게 되는 것이다.
Figure 12는 개구부의 입구 및 출구가 분리된 W08D 조 건의 열발생율, 속도, 이론 화염면 및 온도 분포를 도시 하 였다. 그림에서 주요 화염면은 버너를 기준으로 구획 뒷부 분으로 기울어져 있다. 추가적인 이론 화염면이 천장 근처 에도 존재하지만, 낮은 O2 농도로 인하여 국부적 소염이 발생되었음을 예측할 수 있다. 구획 내부의 유동은 하부의 개구부를 통해 유입된 유동이 화염대의 부력효과를 경험 하고 최종 상부의 개구부로 배출되는 시계방향의 유동구 조를 보이고 있다. 이러한 유동구조 및 화염거동은 비교적 높은 발열량의 과환기화재에서 발생되는 현상과 매우 유 사한 경향을 갖는다(13). 결과적으로 구획 내부로 유입되는 공기 및 배출되는 연소생성물의 질량유량의 측정 편의를 위하여 많은 연구자들에 의해 적용(16,17)되는 W08D의 조 건은 동일한 연료의 질량소모율과 환기인자의 조건에서 출입문 및 창문과 같은 일반적인 수직 개구부가 적용된 환 기부족 구획화재의 특성과는 매우 상이한 결과가 발생될 수 있음을 본 연구를 통해 확인할 수 있다.
4. 결 론
환기부족 구획화재에서 수직 개구부의 형상 및 위치변 화에 따른 독립적인 화재특성 변화를 수치해석을 통해 검토하였다. 이를 위해 모든 조건에 환기인자와 연료의 질량소모율이 동일하게 설정되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 출입문 형상변화를 통한 종횡비의 감소는 공기 유입 량 및 개구부 속도장의 변화로 구획 내부의 온도 감소, 불 완전연소 증가 및 화염길이의 감소를 발생시키지만, 구획 내부의 유동구조 및 화재지속시간에는 큰 영향을 주지 않 는다.
(2) 창문의 위치가 높을수록 개구부 근처의 속도는 증가 되며, 공기 유입량의 증가로 화염온도 역시 증가한다. 또 한 구획 내부의 재순환 유동구조의 변화를 초래하여 연료 및 공기의 낮은 혼합도에 의해 보다 오랜 화재지속시간을 갖게 된다. 그러나 개구부의 위치가 바닥면에 설치된 경우 는 오히려 출입문의 형상변화에 의한 화재특성과 유사한 경향을 갖는다.
(3) 외부 공기의 유입구 및 연소생성물의 배출구가 분 리된 개구부의 조건은 동일한 연료 공급량 및 환기인자 에도 불구하고 일반적인 수직 개구부를 갖는 구획화재와 매우 다른 화재특성을 갖는다. 물론 본 연구에 적용된 조 건은 기존의 환기인자의 적용에 상당한 문제점이 존재하 며, 향후 수직 개부구의 중성대 높이에 따라 정량적으로 분리된 다중 개구부의 영향이 검토되어야 할 것으로 판 단된다.
Figure 12. Mean distributions of HRRPUV, velocity vector and temperature at x=1.2 m for the case of W08D.
후 기
본 연구는 2012년도 대전대학교 연구 조성비로 수행되 었으며, 이에 감사드립니다.
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