ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.6.022
Fuel Bed에서의 지표화 확산에 관한 연구
김정훈 · 김응식 · 김동현* · 김장환*
†
호서대학교 안전보건학과, *국립산림과학원 산림방재연구과
The Study on Surface Fire Spread in Fuel Bed
Jeong-Hun Kim · Eung-Sik Kim · Dong-Hyun Kim* · Jang-Whan Kim*
†
Dept. of Safety & Health Engineering, Hoseo University
*Div. of Forest Disaster Management, Korea Forest Research Institute
(Received October 6, 2014; Revised December 24, 2014; Accepted December 24, 2014)
요 약
본 연구에서는 Fuel bed를 이용한 실험을 통하여 지표화 확산에 의한 온도 분포, 화염 높이, 복사열, 확산속도 등을 측정하였다. 실험 변수로는 수종, 풍속 및 경사도 등을 사용하였다. 수종으로는 침엽수종인 소나무 낙엽과 활엽수종인 굴 참나무 낙엽을 사용하였다. 풍속은 터널식 방 구조에서 간이풍속 장치를 이용하여 1 m/s, 3 m/s, 5 m/s 풍속을 조절하여 실험하였다. 경사도는 Fuel bed의 기울기를 0
o, 10
o, 20
o, 30
o로 변화시켜 가며 조절하였다. 온도 분포 및 확산속도를 측정하기 위하여 K-type 1.6 mm 열전대를 35개를 격자모양으로 배치하였다. 측정을 위하여 복사열량계를 사용하였으며 이외에도 비디오 카메라 및 열화상 카메라를 사용하였다.
ABSTRACT
In this study a Fuel bed where surface fire spreads through is made to measure the data such as the flame height, radia- tion, spread rate and temperature distribution of Fuel bed. As experimental variables species of trees, wind velocities and slop are chosen. Fallen leaves of Quercus Variabilis (Q.V.) and Pinus Densiflora (P.D.) are used as fuel. Wind velocity is controlled by simply designed wind turnnel from 1 to 5 m/s. Slope of fuel bed is changed from 0
oto 30
o. For the measure- ments of temperature distribution and spread rate total 35 of K-type 1.6 mm thermocouples are positioned as a lattice design. Radiant heat flow meters are used besides video camera and thermovision camera.
Keywords : Flame height, Surface fire, Radiation, Spread rate, Wind velocity
1. 서 론
우리나라의 최대의 대형 산불피해는 2000년 4월에 발생 한 강원도 지역의 산불로 동해안 지역을 따라 거의 동시다 발적으로 발생하여 그 피해면적만 해도 23,794 ha이며 피 해액은 360억원에 달하며 많은 산림을 소실시켰고, 2005년 4월 4일 23시53분경에 발생한 양양읍 산불은 4월5일 11시 20분경에 잔불 정리 중이던 산불이 초속 15 m가 넘는 강풍 이 뒷불을 일으켜 산불이 다시 확산되었다. 이로 인해 우리 나라에서도 대형 산불의 문제점이 제기되고 있다(1). 특히 최근의 포항산불의 경우 산림과 인접한 주거지역에서의 산 불피해로 인한 종합적인 대책이 요구되고 있다. 산불의 초 기형태인 지표화는 산불 진화에 있어서 기본적인 연구 대 상이다. 지표화로 시작하여 수관화로 전이되어 대형 산불
로 확산되는 중요한 인자로는 수종, 함수율, 복사열, 화염 높이 등이며 이에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있다(2). Chandler et al. (1983)에 의하면 풍속은 산불에 영향을 미 치는 중요한 인자들 중의 하나라고 하였으며, 연료의 수분 을 건조시키고, 공기의 계속적인 공급에 의해 연소를 지속 시킨다고 보고하고 있다(3). 또한 Burgan (1979)는 산불의 확산속도와 강도를 예측하기 위해서 연료의 종류, 연료층 의 깊이, 연료 입자의 체적 대 표면적 비율, 연료입자의 밀 도, 연료의 수분함량, 풍속, 경사 등에 대한 모든 자료들의 유기적인 분석에 의해서 이루어져야 한다고 밝힌바 있다(4). 본 연구에서는 우리나라의 대표수종인 침엽수종인 소나 무 낙엽과 활엽수종인 굴참나무 낙엽을 Fuel bed 구간에 서 연소 모의실험하였다. 낙엽의 두께는 10 cm로 일정하 게 유지하였으며, 산불의 주요 인자 중 경사도 0o, 10o,
†
Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
†
TEL: +82-41-540-9705, FAX: +82-41-540-572
20o, 30o및 풍속 1 m/s, 3 m/s, 5 m/s를 변수로 사용하여 실험하였다. 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽의 기초 연소 및 화재물성은 본 연구에 앞서 논문으로 발표되었다(5-7).
Fuel bed를 이용하여 임내 지표화 확산 시 온도분포, 확 산속도, 최대화염높이, 복사열 등의 데이터를 측정하였다.
이를 통하여 지표화의 연소특성을 분석하고 산불확산모델 의 기초 데이터로 활용하고자 한다.
2. 본 론
2.1 실험 장치
Figure 1는 실험에 사용된 Fuel bed로 경사도를 조절할
수 있도록 설계제작되었다. 실험 구간은 1.5 m × 0.6 m 구 Figure 1. Position of thermocouples.
Figure 2. Photograph of fuel bed & simply designed wind tunnel.
간으로 낙엽의 높이는 일정한 중량에 10 cm 높이로 고정 하여 일정한 밀도를 유지하였다. 온도를 측정하기 위해 Ø1.6 mm K-type를 5 × 7의 격자 모양으로 총 35개를 배치 하였다. 실험도중 정확한 온도의 측정을 위하여 열전대의 그을음(Soot)을 제거하면서 실험하였다. 이를 통하여 화염 의 확산속도, 최대화염높이, 온도분포 등을 측정하였다.
Figure 2와 같이 복사열 측정은 Fuel bed에 복사열을 측정 하기 위하여 Medtherm 사의 Heat flux meter를 이용 측정 하였다. 풍속 실험은 터널식 방 구조에서 간이풍동장치를 이용 풍속을 조절하여 실험하였다. 데이터 수집은 National Instrument 사의 Date Acquisition (DAQ)를 이용, 1초에 1 개의 데이터를 엑셀에 저장 분석하였다. 화염의 높이는 비 디오카메라로 녹화하였으며, 1초 단위로 재생, 최대화염의 높이를 5 cm 간격으로 판독, 소염 시점까지 측정하였다.
Figure 2는 전산유체해석 및 이를 이용한 간이 풍동장치 설계이다. 입구와 출구에 각각 4개씩의 프로펠러를 설치하 여 인버터로 회전속도를 가변시켜 풍속을 조절하였다. 또 한 입구와 출구 사이에 벌집구조로 파이프를 설치하여 공 기의 흐름을 안정화시켰다. 또한 파이프의 직경 및 길이는 가장 최적화된 공기 흐름을 만들기 위하여 반복적인 측정 을 통해 결정하였다. 전산유체해석 결과 터널입구와 경사 판의 거리를 4 m 이상으로 확보할 경우 일정한 유동을 얻 을 수 있다. 터널 내 유동분포는 터널 입구유속과 입구유동 방향에 가장 큰 영향을 받으며 터널입구와 경사판의 거리 가 충분할 경우 경사판의 기울기는 경사판 주위에서의 유 동분포에 큰 영향을 주지 않는다는 결과를 얻었다. 또한 실 험 도중 풍속계로 풍속을 측정하여 원하는 유속을 얻을 수 있었다. 해석 프로그램 ANSYS CFX 11을 사용하였고 총 격자수는 123,755 (Tetrahedra)이며 경계조건은 입구속도를 1.5 m/s이며, 25oC로 난류모델로는 κ-ε 모델을 적용하였다.
2.2 실험 방법
우리나라의 산림 내 대표적인 지표화 연료인 굴참나무 (Quercus Variabilis: Q.V.)와 소나무(Pinus Densiflora:
P.D.)낙엽을 채취하여 함수율이 10~30%로 건조시켜 두께 10 cm와 총중량을 일정하게 유지하여 밀도는 약 30 kg/m3 를 유지하였다. 경사도는 0o, 10o, 20o, 30o이며, 공간적인 제약으로 인하여 30o 이상은 실시 못하였다. 연소구간에서 의 풍속은 1, 3, 5 m/s의 일정한 풍속으로 변화시켰다.
Fuel bed에서 수직에서 50 cm 지점에서의 풍속을 대표 값 으로 측정하여 실험하였다. 연소실험은 일정한 풍속을 유 지한 상태에서 경사도에 변화를 주면서 연소실험을 하였 다. 각 실험마다 3~5회 반복실험 평균값을 대푯값으로 사 용하였다. 확산속도의 측정은 비디오 판독 및 실제 점화지 점부터 지표화가 연소구간 끝에 도착한 시간을 측정하여 확산속도를 얻었습니다.
3. 실험결과
3.1 확산속도
Figure 3의 (a), (b)는 연소구간에서의 두 수종의 확산속 도로 경사도 및 유속이 증가하면서 비례하여 증가함을 확 인할 수 있었다. 경사도가 30o, 유속 5 m/s일 경우 확산속 도는 소나무 낙엽이 0.15 m/s 굴참나무 낙엽이 0.3 m/s로 굴참나무 낙엽이 소나무 낙엽에 비해 약 2배 빠르게 측정 되었다. 경사도가 30o에 1 m/s일 경우에는 소나무 0.03 m/
s, 굴참나무 0.0565 m/s으로 약 1.9배 빠르게 측정되었다.
경사도가 0o에 5 m/s일 경우에는 소나무 0.06 m/s, 굴참나 무 0.14 m/s으로 약 2.3배 빠르게 측정되었다. 경사도가 0o, 유속 1 m/s일 경우에는 소나무 0.015 m/s, 굴참나무 0.014 m/s으로 거의 유사한 값을 보이고 있으나, 속도가 3 m/s로 증가하게 되면 소나무 0.03 m/s, 굴참나무 0.05 m/s 으로 약 1.5배 빠르게 측정되었다. 결과적으로 어느 정도 의 경사도 혹은 유속이 존재할 경우 1.5~2배 굴참나무가 빠른 확산 속도를 가지고 있다.
3.2 최대 화염높이
Figure 4의 (a), (b)은 최대 화염높이로 경사도 및 풍속이
Figure 3. Spread rate.
증가하면서 소나무 낙엽은 최대화염높이 1.25 m, 굴참나 무 낙엽은 최대 1.1 m로 소나무 낙엽의 최대화염높이가 굴참나무 낙엽보다 높은 경향을 보여주고 있다. 두 수종 모두 경사도 20o에서 최대 화염높이를 보여주고 있지만 30o가 되면 최대화염 높이가 감소하는 추세를 보이고 있다 이는 경사도가 증가함에 따라 지표면에서의 수직거리인 최대화염 높이는 감소하지만 전체화염의 길이가 짧아지지 는 않는다. 다시 말하면 경사도 증가하면서 화염이 지표면 에 평행하는 방향으로 기울어지기 때문이다.
3.3 복사열
Figure 5의 (a), (b)는 연소구간에서의 복사열 측정으로 지표면에서 1 m에서 측정하였으며, 경사도 및 풍속이 증 가하면서 소나무 낙엽은 경사도 30o에 5 m/s에서 7.4 kW/
m2, 굴참나무 낙엽은 7.0 kW/m2로 수종별 복사열량은 수 종에 관계없이 같은 경향을 보이고 있다. 이는 앞 절에서 논한 최대화염높이에서 원인이 있다고 사료된다. 즉 유사 한 화염에 높이가 유사한 복사열을 보여준다고 판단된다.
경사도와 풍속에 비례하여 발생하는 복사열이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
3.4 온도분포
Figure 6은 Fuel bed의 연소구간 중앙에서 수직으로 0.5 m 지점에서의 경사도, 풍속 및 수종을 변수로 하였을 경우 온도를 나타난 그래프이다. 소나무 낙엽일 경우 온도 는 경사도 0o에 풍속 1 m/s일 때 약 430oC 정도이며, 굴참 나무 낙엽일 경우 같은 조건에서는 약 360oC 정도로 측정 되었다. 소나무 낙엽 열량이 굴참나무 낙엽에 비해 높기 때문이다. 하지만 풍속이 증가하면서 빠른 연소와 화염의 기울기가 낮아지면서 온도는 감소한다. 또한 같은 풍속일 경우에도 경사도가 증가하면 화염의 길이는 증가하나 화 염 높이와 복사열이 동시에 감소하는 경향을 보이고 있다.
결과적으로 굴참나무 낙엽에서 유속이 5 m/s일 경우 50~
70oC의 온도분포를 보이고 있다.
Figure 7은 Figure 6과 같은 조건에서 1 m 지점에서의 온도를 나타난 그래프이다. 소나무 낙엽일 경우 풍속 1 m/
s일 때 온도는 60~100oC 분포를 보이고 있으며 풍속이 5 m/s일 경우 온도분포는 45~80oC 정도로 감소된다. 그러 나 풍속이 3 m/s일 경우 온도분포가 55~150oC로 높아진 다. 최대온도 150oC는 경사도가 20o일 때 측정되었다. 이 와 같은 결과는 Figure 6의 결과와 다른 패턴을 보이고 있
Figure 5. Heat flux.
Figure 4. Flame height.
다. 그 이유는 Figure 4의 P.D.의 그래프에서 보는바와 같 이 경사도 20o에서 최대화염 높이가 관측되기 때문이다.
풍속이 1 m/s일 경우 화염높이는 높지만 확산속도가 느려 질량감소속도(Mass Loss Rate)가 3 m/s의 경우에 비해 작 다고 사료된다. 반면 유속이 5 m/s일 경우 확산속도가 가 장 빨라 질량감소속도가 가장 높을 것으로 예상되지만 화 염높이가 낮아 온도분포가 3 m/s에 비하여 낮게 측정된다.
Figure 8 (a), (b)은 경사도가 30o, 풍속 3 m/s의 경우 소 나무 낙엽과 굴참나무 낙엽의 열화상 온도 분포을 촬영한 사진이다. 화염부분의 온도분포는 낙엽층에서의 최대온도 는 약 800oC이며, 화염의 외곽부분에서는 약 180oC가 관 Figure 6. Temperature at 0.5 m height.
Figure 7. Temperature at 1 m height.
Figure 8. Temperature distribution of thermal image at 20o and 3 m/s.
Figure 9. Maximum flame height
측되었다. 소나무 낙엽이 연소 시 굴참나무 낙엽에 비해 열화상 온도분포가 평균적으로 높게 관측되었다.
3.5 실측 화염높이 및 연소면
Figure 9는 경사도 20o 풍속 1 m/s의 경우 화염길이와 화염높이를 보여주는 예이다. a), b)에서처럼 최대화염높 이는 약 1.1~1.2 m로 측정되었지만, 최대 화염길이는 약 1.2~2 m로 관측된다. Figure 9에서 보는바와 같이 최대화 염높이는 Fuel bed에서 화염 끝까지의 수직 길이로 정의 하였다. 낙엽층과 연소면의 길이는 약 0.8~0.9 m로 관측되 었다.
4. 결 론
본 연구를 통하여 경사도 및 풍속에 관한 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다.
1) 경사도 및 풍속이 증가함에 따라 확산속도가 증가하 는 것을 알 수 있다.
2) 지표물이 낙엽인 경우에, 경사도가 증가 시 Figure 4 에서와 같이 최대화염높이 1.2 m 이상으로 증가하지 않는 것으로 측정되었다. 하지만 연소면적이 증가하므로 확산속 도 및 최대 화염길이 증가한다.
3) 본 연구의 실험 조건에서는 Figure 7에서와 같이 온 도분포와 최대화염높이 1.2 m라는 결과를 바탕으로 연소 물이 높이 1.2 m 내에 존재하지 않을 경우 수관화로의 전 이는 힘들 것 사료된다.
4) 경사도와 풍속이 증가하면서 굴참나무 낙엽의 연소 확산속도가 소나무 낙엽보다 1.5~2배 정도 빠른 것으로 측정되었다.
5) 연소구간을 열화상 카메라 관측한 결과 화염부분의 온도분포는 낙엽층에서의 최대온도는 약 800oC이며, 화 염의 외곽부분에서는 약 180oC가 관측되었다.
6) 본 연구에서 사용된 Fuel bed의 폭 및 길이가 짧아 지표화을 모델링하기에 많은 한계점이 존재한다. 실제 임 내에서 일어나는 산불은 연소면적이 광범위하며 가연물 형태도 다양하여 온도, 확산속도는 물론 복사열량도 크게
증가할 것으로 사료된다.
후 기
이 논문은 국립산림과학원 산불피해저감을 위한 진화기 술 개발 연구(2008년)에 의하여 연구되었음.
References
1. S. Y. Lee and J. E. Kim, “A Study on Meteorological Elements Effecting on Large-scale Forest Fire during Spring Time in Gangwon Young-dong Region”, Journal of the Korea Society of Hazard Mitigation, Vol. 11, No.
1, pp. 37-43 (2011).
2. D. H. Kim, “Analysis of the Effect Factors Cause by a Scale of Forest Fire Damaged Area”, Journal of Korean Forest Society, Vol. 2004, pp. 178-180 (2004).
3. C. Chandler, P. Cherey, P. Thomas, L. Traland and D.
Williams, “Fire in Forestry Volume II. - Forest Fire Man- agement and Organization”, A Willey-Interscience Publi- cation, pp. 298 (1983).
4. J. Roads, F. Fujioka, S. Chen and R. Burgan, “Seasonal Fire Danger Forecasts for the USA”, International Jour- nal of Wildland Fire, Vol. 14, pp. 1-18 (2005).
5. H. J. Park, E. S. Kim, J. H. Kim and D. H. Kim, “A Combustion Characteristic Analysis of Quercus variabi- lis and Pinus densiflora Fallen Leaves Using Radiation Heat Flux”, Journal of Korean Institute of Fire Science &
Engineering Conference, Vol. 21, No. 3, pp. 44-46 (2007).
6. J. H. Kim, E. S. Kim, M. B. Lee, D. H. Kim and H. J.
Park, “A Study of Calorie Analysis Methods about Sur- face Fire Fuel”, Journal of Korean Institute of Fire Sci- ence & Engineering, Vol. 22, No. 3, pp. 258-264 (2008).
7. J. L. Dupuym, J. Marechal and D. Morvan, “Fires from a Cylindrical Forest Fuel Burner : Combustion Dynamics and Flame Properities”, Combustion and Flame, pp. 65- 76 (2003).
