Study of the Smoke Control Characteristics for Fire Near Jet Fans

Jet fan 근접 화재 발생 시 제연 특성 연구

Study of the Smoke Control Characteristics for Fire Near Jet Fans

김종윤^†·서태범·임경범*·유지오**·이동호***

Jong-Yoon Kim

· Tae-Beom Seo · Kyung-Bum Lim* · Ji-Oh Yoo** · Dong-Ho Rie***

인하대학교 기계공학과, *한국소방안전협회, **신흥대학 건축설비디자인과, ***인천대학교 안전공학과 (2007. 1. 8. 접수/2007. 3. 13. 채택)

요 약

본 연구에서는 Jet fan 근접 거리에서 화재 발생 시 최소거리의 Jet fan을 이용하여 연기를 제어하기 위하여 PIV에 의한 가시화실험을 실시하였고, 또한 실험을 통해 얻어진 결과와 FDS 수치해석 그 결과를 비교, 분석 하였다. 터널 내 화재발생 시 Jet fan 설치에 따른 효율적인 연기제어 방식의 정량적 데이터 분석 결과 근접 Jet fan의 작동은 화원과 25 m 이상의 거리에서만 가동해야 한다. 또한 Jet fan과 화원의 이격거리가 50 m 부근에서 가장 안정적으로 연기가 제어되며 75 m 이상의 거리에서는 터널 중앙 부근에 서 과풍속 경향이 나타나며 제연되었다.

ABSTRACT

In this research, we conducted a PIV-visualization experiment to smoke control from fires by using a neighboring Jet fan at minimum distance. We also compared our experiment results with FDS numerical analysis ones. As a result of quantitative data analysis of smoke control modes against fires in tunnel, we concluded that a neighboring Jet fan should be placed at least 25 m away from its fire source in order to produce satisfactory smoke control results. Jet fan showed the best smoke-control- ling performance, if placed 50 m away from its fire source. It tended to show an overspeed around the center of tunnel when it is placed more than 75 away from its fire source.

Keywords: PIV-Visualization, Smoke control, Jet fan, FDS, Tunnel fire

1. 서 론

터널에 설치되는 제연설비는 터널 내에서의 화재 시 인명피해를 줄이기 위한 대피환경 확보에 가장 효과적 인 수단이다. 이러한 제연설비의 중요성은 국내외의 터 널 사고에서 쉽게 나타난다. 터널에서의 사고는 반밀 폐 공간의 특성으로 인해 일반적인 화재보다 더욱 위 험성을 내포하고 있으며, 공간적 특성으로 인한 온도 의 급격한 증가와 가시거리 미확보는 대피자의 신체 및 정신적인 스트레스를 증가시키게 된다. 따라서 이 러한 대피자의 위험을 제거하고 효과적인 대피가 가능 하도록 화재 시 발생되는 연기 및 온도를 제어하는 것 이 터널에서의 화재시 가장 우선적으로 고려되어야 할 부분이다.^1-3)

화재 시 연기의 제어는 터널 내 연기를 화재공간에 서 완전히 제거하는 배연(smoke exhaust) 방식인 횡류 식, 반횡류식 환기방식과 대피 반대방향으로 기류를 형 성하여 대피공간을 확보할 수 있도록 제어하는 제연 (smoke control) 방식인 종류식 환기방식으로 분류 할 수 있다. 현재 우리나라에 설치되어 있는 대다수의 일 방향 터널에서는 Jet fan을 이용한 종류식 환기방식을 적용하고 있어 화재 발생 시 연기의 유동을 터널 내부 에서 제어해야 한다. 즉, 화재가 발생되었을 때 임계풍 속보다 적은 유량을 터널에 공급하게 되면 터널 천장 부에서 하류방향으로 연기가 흘러내려가는 역류 현상 이 발생한다. 이와는 반대로 임계풍속보다 과도한 유 량을 공급하게 되면 연기는 상류쪽으로 기울어지며 이 동하게 되는데 이 경우 공기가 충분히 공급되어지기 때문에 오히려 화재를 더욱 크게 성장시킬 수 있는 요 인이 되는 과풍속이 된다. 그러나 원거리에서 임계풍

†E-mail: [email protected]

속을 공급할 경우 터널 천장부를 기준으로 연기를 제 어하게 되므로 터널 천장부에서는 임계풍속이 되지만 터널 중앙 높이에서는 과풍속이 나타나는 경향이 있 다. 그러나 이러한 제연방식은 제연량에 따라 대피자 의 위험이 증가되거나 화재를 더욱 가속화시킬 수 있 기 때문에 정확한 임계풍속을 산정하는 것이 중요하다.

종류식 환기방식의 경우 Jet fan의 위치는 터널 중심 부 보다는 터널 입구 쪽 또는 출구 쪽에 설치할 경우 경제적인 면으로 볼 때 설치비가 적게 들게 된다. 따 라서 일반적으로 Jet fan은 터널입구 또는 출구로부터 150 m 거리를 이격하여 100 m마다 설치하며 터널 내 적정 환기가 가능한 대수를 설치하게 된다. 따라서 화 재 발생 시 Jet fan의 근접 운용이 불가피한 위치, 즉 터널 입구 또는 출구 근처에서 화재가 발생 시 근거리 제연의 필요가 있는 상황에 직면하게 된다.

본 연구에서는 화재 발생 시 Jet fan에 의한 연기이 동 현상에 대해 상사법칙에 의한 축소모형을 제작하여 PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용한 가시화 실험 을 통해 Jet fan 근접 거리에서 화재 발생 시 연기제어 에 관한 연구를 실시한다. 또한 본 실험을 통해 얻어 진 결과와 FDS(Fire Dynamics Simulator) 수치해석의 결과를 바탕으로 터널 내 화재에 대한 최적의 연기제 어 조건의 제시 및 제연성능에 대한 메커니즘을 도출 함으로서 화재발생에 따른 터널 내 제연설비의 안전을 고려한 설계에 필요한 자료를 제시하고자 한다.

2. 이 론

2.1 스케일링 법칙

터널 화재시 연기유동의 성층화를 유지하면서 열기 류의 역류현상을 억제하기 위한 최소풍속을 임계풍속 (Critical Velocity)이라 한다. 이 임계풍속은 프라우드(Fr) 수를 변수로 하는 관계식에 의해서 계산하고 있으며, 터널방재 시 사용하는 Fr수는 수정된 Fr수로 표현된다.⁴⁾ (1)

식 (1)에서 Fr수가 일정하다고 가정하면 기하학적 상 사법칙과 역학적 상사법칙이 성립하며 축척과 관계없 이 일정한 유체의 유동성질이 나타난다. 따라서 축소 터널과 실제터널의 길이 Lm과 Lf 발열량 Qm과 Qf, 속 도 Vm과 Vf, 사이의 관계는 다음 식과 같다.

(2)

(3)

본 연구에서는 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 터널 및 화원에 대한 축소법칙을 적용하여 모형터널 실험을 실 시하였다.

2.2 PIV(particle image velocimetry)

입자영상유속계(PIV)란 유체의 유동속에 미소 입자 를 투입하여 유체의 운동을 가시화하고 연속적인 두 번의 순간에 대한 입자들의 변위를 구함으로써 속도장 의 정보를 얻어내는 방식이다. 일반적으로 PIV 구성은 레이저광, 영상기록장치, 동기장치, 분석장치로 이루어 진다.

유체의 유속측정을 위해서는 먼저 유동을 잘 추적할 수 있는 작은 크기의 입자를 유체의 유동속에 주입한 다. 이 추적입자는 유체의 전달 과정을 직접 가시화하 거나 유동 단면에서의 유동상태량을 파악하는데 사용 된다. 따라서 유체와 입자 운동사이의 차이를 최소화 하거나 없애기 위하여 추적입자의 유체역학적 특성을 점검하고 결정하여야 한다. 그리고 측정하고자 하는 유 동단면을 2차원 레이저 평면광으로 조사하게 되면, 이 빛에 노출된 유동입자들은 산란을 하게 되고, 레이저 평면광에 산란된 입자영상을 CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 이용하여 일정한 시간 간격으로 촬 영하게 된다. 이렇게 얻어진 화상데이터를 컴퓨터를 이 용하여 화상처리기법으로 분석함으로서 시간 간격(∆t) 동안 움직인 유동입자들의 변위정보 ∆S(x, y, t)를 계측 한다. 여기서 입자들의 변위 ∆S는 시간과 공간의 함수 로 표현된다. 속도벡터 U(x, y)는 입자들의 변위벡터

∆S를 ∆t로 나누어 주면 구할 수 있다.^5,6)

3. 실험 및 수치해석

3.1 축소모형터널

본 실험에 사용된 모형 터널은 폭 8 m, 높이 8 m, 길 이 180 m 크기의 실물 터널을 길이에 대해 1/20으로 축소시켰으며, 열방출율은 PIARC(Permanent International Association of Road Congress) 보고서에서 제공하는 터 Fr_m gH ρ( ₀–ρ_f)

ρVr²

--- gH Vr2

--- 1 T⁰ Tf

---

⎝ – ⎠

⎛ ⎞

= =

Q_m Qf

--- L_m Lf

---

⎝ ⎠⎛ ⎞^5/2

=

Vm

V_f --- Lm

L_f ---

⎝ ⎠⎛ ⎞^1/2

=

Table 1. Experiment specifications Elements Width

[m] High

[m] Length

[m] Heating value[kW]

Real tunnel 8 8 180 4,480 Model tunnel 0.4 0.4 9 2.50

널 내 화재 시나리오 중 Passenger car에 대한 발열량 인 4,480 kW를 적용하여 축소법칙으로 환산하여 2.50 kW를 실험에 적용하였다.⁷⁾ 축소법칙에 의해 산출 된 실험의 제원을 Table 1에 나타내었다.

3.2 실험장치 및 방법

PIV 속도장 측정기법에 의해 CCD 카메라로 촬영된 화상데이터는 속도변위계측 프로그램 및 농도변위계측 프로그램에 의해 속도 및 휘도정보가 시계열적으로 해 석되어진다. 본 실험에서 가시화를 위해 사용한 광원 은 5 W, 514.5 nm의 Ar-ion 레이저이며 연기 발생장치 (Smoke generator)를 이용하여 유동 파라핀 오일을 가 열시켜 연기를 생성하였다. 연기의 유량 또한 PIARC 에서 제시한 20 m³/s에 대해 Froude 상사 법칙을 적용 시켜 약 0.011 m³/s로 공급하였다. Fig. 1은 모형 터널, Fig. 2는 연기 유동에 의한 가시화 실험장치를 나타낸다.

3.3 수치해석

터널 내부의 화재 현상 및 열적 유동의 수치해석은

미국 NIST(National Institute of Standards and Tech- nology)에서 개발한 CFD 프로그램인 FDS ver 4.07을 사용하였다.

본 수치해석에서 적용된 실험 조건은 외부의 영향을 고려하지 않기 위해서 터널의 길이를 총 500 m로 설 계하였으며 터널의 폭과 높이는 축소모형의 실제 터널 제원과 동일한 조건인 8 m×8 m을 적용하였다. 화재의 크기는 PIARC에서 제시하는 Passenger Car의 4,480 kW 의 발열량으로 설정하였으며 화원의 크기는 2 m×5 m 로 설정하였다. 터널내부의 Jet fan은 1 m×5 m×1 m의 크기로 설정하였고 터널 출구로부터 140 m 지점에 설 치하였다. 해석에 사용된 격자수는 약 260,000(16×1000

×16)^8,9)이며 격자 형태는 Uniform 방식으로 설정하였 다. 또한 NFPA502¹⁰⁾에서 제시하는 한계 가시거리와 이에 따른 감광계수를 적용하기 위해 SFPE^11,12)에서의 감광계수에 따른 가시거리에 관한 관계식으로 가시화 요소를 2.67로 적용하였다. 터널의 양측면은 Open Vent 로 설정하였으며 터널내부의 초기 기류속도는 0 m/s로 설정하였다.

본 연구에서는 화재의 경향을 정상상태로 분석하기 위해 동일한 환경으로 500초 동안 수치해석을 실시하 였으며 화재와 Jet fan으로 인한 터널내부의 유동이 일 정한 상태의 분석을 실시하였다. 또한 Table 2에 제 시한 경계조건별로 Jet fan의 토출유속을 변동시키며 (15 m/s~30 m/s) 연기농도와 온도에 관한 수치해석을 실시하였다.

4. 결 과

4.1 균일 풍속 적용시 연기 유동의 정량적 계측

Fig. 2. Photos of model tunnel test.

Table 2. Jet fan's boundary conditions according to fire locations

Distance between the jet

fan and the fire location Discharge velocity of the jet fan

20 m

15 m/s~30 m/s 25 m

50 m 75 m 100 m

관계에 따라 등농도선으로 변환(c)시켰으며 300장의 사 진을 PIV로 해석하여 연기의 유동을 벡터로 나타내 었다. 화재 발생 지점과 Jet fan과의 거리가 충분히 이격 되어있어 터널단면 전체에 유량이 일정하게 공급 되는 상태를 모사하기 위하여 원심 축류팬과 허니컴 (honeycomb)을 이용하여 터널 단면 전체에 균일한 풍 속을 공급하였다. 풍속은 먼저 Kennedy 식¹³⁾에 의해 계산된 임계풍속 값을 기준으로 실험을 실시하였으며, 이 후 축류팬의 회전 속도를 조절하여 −30%~30%의 값으로 바꾸어가며 실험을 실시하였다. 실험 결과, Kennedy 식에 의해 계산된 임계풍속 값 0.302 m/s(Vf= 1.353 m/s)의 −10%인 0.272 m/s(Vf= 1.216m/s)를 적용 시 연기가 안전하게 제어되어 임계풍속 값이 결정되었

다. 이 때 미국 NFPA502에 명시된 안전한계 대피 연 기농도인 39.5 mg/m³은 농도와 휘도의 상관관계¹⁴⁾를 이용하여 도출 하였으며 투과율 약 74%, 휘도 90.3일 때 결정되어 안전하게 제어가 됨을 알 수 있다.

4.2 Jet fan 임계풍속 적용시 이격거리에 따른 연 기유동의 정량적 계측

본 실험에서는 화재 시 Jet fan의 유량 공급에 의한 비균일 단면 임계풍속을 적용하였다. 실험에서 터널 내 부에 풍속을 공급하기 위한 Jet fan은 출구 단면이 약 0.05 m×0.05 m의 크기인 정사각형 모양의 팬을 사용 하였다. Jet fan의 대수는 1대이고 위치는 터널상단 중 앙선에 일치시켰으며 화재 발생 지점으로부터 수평방 Fig. 3. Controlling smoke by critical velocity on uniform sections (Vmodel = 0.272 m/s).

Fig. 4. Visualization results according to Jet fan distances.

향으로 0.5 m~5.0 m(Lf:10 m~100 m)까지 위치를 이동할 수 있도록 설치하였다. 화재발생 지점에서의 평균 유 속은 PIV로 측정하였으며, Jet fan에서의 출구 풍속은 열선 풍속계를 이용하여 측정 및 검증하였다.

Fig. 4은 화원으로부터 Jet fan을 각각 0.75 m~5.0 m 의 거리로 이격시켜 임계풍속의 조건으로 유량을 공급 하였을 때, 화원에서 발생되는 연기제어 시 연기의 가 시화결과를 나타낸다. Jet fan과 화원과의 거리가 1.25 m (Lf:25 m)인 경우 Jet fan의 출구풍속이 Vf= 1.8 m/s에서 임계풍속이 안정적으로 결정되었다. 그러나 이격거리 가 0.75 m(Lf:15 m)와 1.0 m(Lf:20 m)인 경우 천장측 연 기는 오히려 Jet fan의 영향에 의해 하류 방향으로 끌 려 내려가는 경향이 나타났다. 이는 Jet fan 출구풍속 이 주위의 유속 보다 빠르기 때문에 터널 양단부에서 Jet fan의 기류에 의한 벽면의 secondary flow 발생으로 연기의 역류가 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 Jet fan의 화원과의 거리는 최소 1.25 m(Lf:25 m) 이상으로 결정하여야 한다. 화원과 Jet fan의 거리가 2.5 m(Lf:50 m) 일 경우 이격거리가 1.25 m(Lf:25 m)일 경우 보다 안정 적으로 제연이 되고 있으며 화원위치에서의 연기의 분 포는 천장부에서부터 하단부까지 수직으로 제연 되었 다. Jet fan의 이격거리가 3.75m(Lf:75m) 이상 일 경우 임계풍속 공급 시 풍속이 천장과 하부보다 중앙에서는 과풍속 경향이 나타난다. 5.0 m(Lf:100 m)에서는 균일 풍속과 거의 동일한 결과를 나타내었다. 가장 이상적 인 임계풍속 산정을 위한 Jet fan의 화원과의 거리는 2.5 m(Lf:50 m) 부근에서 결정되는 것으로 나타났다.

4.3. FDS를 이용한 연기제어 특성

먼저 수치해석에 의한 임계풍속을 결정하기 위하여 터널 입구에서 터널 전체 단면에 균일 풍속을 공급 하 였다. 최초 풍속은 Kennedy 식을 기준으로 하여 4.5 MW의 임계풍속인 1.35 m/s를 공급 하였으며 −20%~

+40%의 풍속변화를 통하여 임계풍속을 결정하였다. 수 치해석 결과로서 임계풍속은 Kennedy 식에서 계산된 1.35 m/s 보다 약 20% 증가한 1.62 m/s로 결정되었다.

실험과 비교하면 약 30%의 차이를 보였으며, 이러한 차이는 실험 시 발생하는 열손실에 대한 고려를 하지

않았으며 축소 모형실험에서 상사법칙에 대한 오차의 원인으로 판단된다. Fig. 5에 수치해석에 의한 임계풍 속 결과를 나타낸다.

다음은 Jet fan에 의한 임계풍속 공급 시 이격거리에 따른 연기의 유동변화에 대해 수치해석을 실시하였다.

Table 3은 수치해석 결과에 의한 이격거리에 따른 임 계풍속을 나타내며, Fig. 6은 Table 3에서 결정된 임계 풍속 공급 시 이격거리에 따른 soot 분포 및 온도의 분 포를 나타낸다.

그림에서 0 m 위치에 Jet fan이 설치되어 있으며 화 원은 20 m~100 m 사이에 위치해 있다.

Jet fan의 화원과의 거리가 20m의 경우 연기와 온도 의 유동이 Jet fan 양옆으로 유인되어 Secondary flow 가 발생하여 제연이 이루어지지 않았다. 그러나 20 m 를 제외한 25 m~100 m에서의 제연은 일정한 풍속 이 상에서 임계풍속이 결정되었다. 따라서 Jet fan 근접거 리에서의 화재시 25 m 이상의 거리에서 제연을 하여 야 하며 더 짧은 거리에서의 제연시 Jet fan 주기류의 영향을 받아 터널 천장근처 벽면의 양측면에서의 연기 는 주기류의 진행방향으로 이동하지 않고 오히려 터널 하류방향으로 끌려 내려가는 현상이 발생하는데 이는 Jet fan 출구풍속이 주위의 유속 보다 매우 빠르기 때 문에 나타나는 현상으로 터널 중앙부에는 Jet fan에 의 해 빠른 유동이 발생하고 이 유동에 영향을 받아 터널 양단부에는 발생하는 와류(Secondary flow)로 인한 인 명피해가 발생할 가능성이 있음을 알 수 있다. 또한 Table 3에서 나타난 바와 같이 화원과의 거리가 짧을 수록 연기 상층부의 집중 제연을 통해 토출임계풍속은

Fig. 5. Determinating critical v elocity by FDS.

Table 3. Discharge critical velocity according to Jet fan distances

Jet fan distance Discharge critical velocity

20 m -

25 m 20 m/s

50 m 25 m/s

75 m 30 m/s

100 m 30 m/s

Fig. 6. Numerical analysis of smoke control results according to Jet fan distances.

Fig. 7. Speeds for each location according to Jet fan distances.

줄어드는 경향이 있으며 75 m 이상의 거리에서는 토 출된 공기의 유동이 완전발달영역에 가까워지기 때문 에 일정하게 되는 것으로 나타났다.

Fig. 7은 이격거리에 따른 토출 임계 풍속시의 터널 중심부 단면의 평균 속도를나타낸 그래프이다.

140 m 지점인 Jet Fan 위치에서 급격한 속도 상승 후 점점 속도가 하락하며 화재지점에 근접하면 속도가 크 게 감소하여 최저속도로 나타났다. 이후 일정한 속도 로 터널 끝지점까지 유지가 되는 것으로 나타났다.

가시화 실험 결과와 수치해석 결과를 비교하면 연기 의 분포는 서로 유사한 경향을 나타내었다. 그러나 제 연 되었을 때 연기의 형상은 다소 다르게 나타났다. 실 험에서는 화원과 Jet fan의 화원과의 거리가 25 m 및 50 m일 경우 화원에서 수직으로 연기가 제어 된 반면 수치해석 결과에서는 경사에 대한 결과는 거의 나타나 지 않았다. 또 Jet fan과 화원의 이격거리가 20 m인 경 우 실험결과와 동일하게 secondary flow가 Jet fan 양 옆으로 발생하여 제연이 이루어지지 않고 터널 앞쪽으 로 연기가 이동하는 역류 현상이 나타났다. 따라서 화 재 발생 시 근접 Jet fan의 작동은 화원과 25 m 이상 의 거리에서만 작동해야 함을 알 수 있다.

5. 결 론

터널 내 화재발생 시 Jet fan 설치에 따른 효율적인 연기제어 방식의 정량적 데이터를 얻기 위해 PIV를 이 용한 축소모형 실험 및 FDS를 이용한 수치해석을 실 시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 화원과 Jet fan 이격거리가 25 m 이내일 경우 Jet fan 주기류의 영향으로 터널 양측면에서 Jet fan으로 연 기가 재유입되어 back layering 현상이 발생한다.

(2) 25 m~75 m 사이에서는 이격거리가 가까울수록 연기 상층부의 집중 제연을 통해 토출임계풍속은 줄어 드는 경향이 있으며 75 m 이상의 거리에서는 토출된 공기의 유동이 완전발달영역에 가까워지기 때문에 토 출임계풍속이 일정하게 된다.

(3) 터널내의 위치별 속도는 140 m 지점인 Jet fan 위 치에서 급격한 속도 상승 후 점점 속도가 하락하며 화 재지점에 근접하면 속도가 크게 감소하여 최저속도로 나타났다. 이후 일정한 속도로 터널 끝지점까지 유지 가 되는 것으로 나타났다.

(4) 임계풍속 측정결과 실험에서는 1.216 m/s일 경우 임계풍속이 결정되었으며, 수치해석의 경우 1.62 m/s에 서 임계풍속이 결정되어 약 30% 정도 차이가 발생하 였다. 그러나 연기 유동은 유사한 경향이 나타내어 근

접거리의 Jet fan 작동은 화원과 25 m 이상의 거리에 서만 작동해야 함을 알 수 있다.

감사의 글

본 연구는 2006년 건설교통부 지하공간 환경개선 및 방재기술 연구사업(C03-01)의 “도로터널방재시스템 개 발”의 일환으로 수행되었습니다.

기호설명

Fr : Froude 수(Froude Number)

Frm : 수정된 Froude 수(Modified Froude Number) g : 중력가속도[m/s²](Gravitational force) H : 터널 높이(Tunnel height)

ρ0 : 주위 공기밀도[kg/m³] (Ambient air density) ρf : 화원 밀도[kg/m³] (Fire plume density) ρ : 평균공기밀도[kg/m³] (Average air density) Vr : 임계풍속[m/s] (Critical Velocity)

Vf : 실제터널 풍속[m/s] (Velocity of prototype) Vm : 축소모형터널 풍속[m/s] (Velocity of scale

model)

Tf : 화원온도[K] (Fire plume temperature) To : 주위온도[K] (Ambient temperature)

Qf : 실제 화재 강도[kW] (Heat intensity of pro- totype)

Qm : 축소모형 화재 강도[kW] (Heat intensity of scale model)

Lf : 실제터널 길이[m] (Tunnel length of prototype) Lm : 축소모형터널 길이[m] (Tunnel length of scale

model)

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