Validation of FDS for the Pool Fires within Two Rooms

[논 문] Vol. 24, No. 5, 2010

60

이중격실 Pool 화재에 대한 FDS 검증분석

Validation of FDS for the Pool Fires within Two Rooms

배용범^†·류수현·김윤일·이상규·금오현·박종석

Young Bum Bae

· Su Hyun Ryu · Yun Il Kim · Lee Sang Kyu ·

O Hyun Keum · Jong Seok Park

요 약

화재분석모델이 제한사항 내에서 화재 피해를 신뢰성 있게 예측하기 위해서는 화재분석모델에 대한 검 증분석이 반드시 이루어져야 하며, 이러한 검증분석 과정은 일반적으로 실증실험 결과와 비교함으로서 이 루어진다. 본 연구의 목적은 화재분석모델인 FDS의 이중격실 Pool 화재에 대한 예측 능력을 평가하고, FDS의 중요 입력값(열방출률 및 환기량)의 미소변화에 따른 출력값(온도, 농도, 열유속)의 민감도를 분석 하기 위함이다. FDS의 예측능력 평가와 FDS 입력변수의 민감도 분석을 위해 국제공동연구 PRISME 프 로잭트로부터 화재실증 결과와 FDS 결과물을 비교분석하였다. 이중격실 Pool 화재에 대한 FDS의 예측능 력은 화재실증 실험결과와 비교하여 약 ± 20% 오차범위를 나타내었다. 또한, FDS의 입력변수에 대한 민 감도는 열방출율의 미소변화에 따라 비교적 높은 출력값의 변화가 나타났으며, 환기량의 미소변화에 따라 출력값 변화는 연소생성물의 농도에만 영향을 미쳤다.

ABSTRACT

Fire model shall be verified and validated to reliably predict the consequences of fires within its limitations. Generally the verification and validation procedures are conducted by comparison with experimental test data. This study aims to evaluate predictive capabilities of FDS in the pool fire with two rooms and the sensitivity between input parameters such as heat release rate and ventilation rate and the output values like temperature, concentration, and heat flux. The predictive capabilities of FDS will be evaluated by comparing FDS simulation results with PRISME experimental data which result from the international fire test project. The sensitivity analysis will be conducted to decide which one of input parameters affects outcomes by comparison of FDS results with ± 10% changes of input parameter. From this study, the FDS predictive capabilities are within 20% error range. Heat release rate as input parameter affects most of outcomes and flow rate only has relation with concen- tration of oxygen and combustion products.

Key words : Fire Dynamics Simulator (FDS), Pool fire, Validation

1. 서 론

화재분석모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존법칙을 기반으로 화재로 인한 구조물, 계통 및 기기에 대한 손 상 등을 수학적으로 예측하는 방법이다.

이러한 화재분석모델은 검증(Verification & Validation) 된 화재상황 내에서 적용되어야만 분석결과의 보수성

을 인정받게 된다.^1,2) 화재분석모델의 검증은 화재실증 실험의 결과와 비교를 통해서 이루어지며, 분석을 통 하여 모델의 예측능력 및 입력인자의 민감도가 검증된 다. 그러므로 화재분석모델의 활용도를 높이기 위한 다 양한 화재실증실험과 검증과정은 필수적이라 할 수 있 다. 이러한 화재분석모델의 검증은 그 필요성에도 불 구하고 많은 비용이 들기 때문에 다양하게 이루어지지 않았다. 그러나 화재분석모델이 다양한 분야에서 활용 됨에 따라 화재실증실험을 통한 검증 필요성이 대두되

†E-mail: [email protected]

었다. 해외 연구기관을 통해 이루어진 화재실증시험은 Table 1에서와 같다. 국내에서는 지하공동구 화재실험,¹⁵⁾ 지하철 역사 승강장 화재실험,¹⁶⁾ 조립식 주거건물 화 재실험¹⁷⁾등을 통하여 화재모델을 평가하는 연구가 수 행되었다.

본 논문에서는 한국, 미국, 일본, 프랑스, 영국, 독일, 등이 참여하여 연구 중인 국제공동연구 OECD/NEA PRISME Project를 통해 수행된 화재실증실험 결과를 가지고 화재분석모델 중의 하나인 FDS(Fire Dynamics Simulator version 5.3)를 예측능력 및 입력변수의 민감 도 측면에서 검증하고자 한다. 화재실증실험 설비, 계 측기, 실험조건과 FDS의 경계조건 및 주요 입력요소 를 전반부에 기술하고, 실험결과를 바탕으로 모델의 예 측능력 및 중요 입력요소인 열방출률 및 환기량에 대 한 민감도를 분석한다.

2. 실 험

2.1 실험장치

본 연구에 사용된 화재실증실험은 두께 0.3m의 강화 콘크리트 벽으로 구성된 두 개의 격실에서 수행한다.

격실크기는 5m × 6m × 4m(가로 × 세로 × 높이)이며, 각 격실 상부에는 공기 유입 및 유출을 담당하는 환기용 개구부(0.6m × 0.3m, 가로 × 세로)가 각각 한 개씩 설 치되어 있다. 격실 사이에는 0.8m × 2.1m(폭 × 높이) 크기의 문이 있으며, 실험진행 중에는 개방된 상태로 있다(Figure 1). 화재가 진행되는 격실 1에는 가연성 액체연료인 TPH 16.266kg이 바닥으로부터 0.4m 높이 의 원형 팬(지름 0.714m, 높이 0.1m)에 담겨 있으며, 팬의 외부는 50mm 두께의 단열재로 마감처리 하여

모든 열은 상부로 향하도록 하였다. 본 연구에서는 화 염 및 고온 연기층으로 인한 주위 영향을 분석하기 Table 1. International Fire Tests for V&V¹⁴⁾

Country Organization No. room Ventilation

Japan BRI 2 Natural

USA FMRC 4 Natural

USA NIST (cooper) 3 Natural USA NIST (Peacock) 3 Natural USA NIST (Quintiere) 2 Natural

Canada NRCC 60 Natural

Germany NCR-HDR 60 Mechanical

China Ploy U 2 Natural

Finland VTT 12 Natural

France IRSN 2 Mechanical Figure 1. Schematic diagram of experimental facility.

Figure 2. Plane view of measurement points in room 1.

Figure 3. Vertical view of measurement points in room 1.

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 위해서 온도, 농도, 및 열유속을 측정하여 해석하였다.

온도 및 농도 계측기는 고온 연기층 및 주위의 온도 를 대표할 수 있도록 화염과 벽의 영향이 최소가 되 는 수평거리에 설치되었다. 온도계측기의 경우 수직방 향으로 각 실마다 18개의 계측기가 설치되어 높이별 온도를 측정할 수 있게 하였으며, 농도계측기는 고온 연기층 및 주위층을 대표할 수 있도록 각 층별 1개의 계측기가 설치되었다. 열유속 계측기는 케이블 등의 배관이 다수 존재할 수 있는 높이인 2.65m에서 4개 의 벽면 중앙에 설치되었다. 실험장치 내에 각종 센 서에 대한 위치를 Figure 2 및 Figure 3에 나타내었으 며, 상세한 좌표의 위치는 Table 2, 3, 4에 각각 표시 하였다.

2.2 실험조건

화재는 액체상태의 TPH 16.266kg을 원형 연료 팬에 담아놓고 점화장치를 이용 및 착화하여 모든 연료가 소모될 때까지 진행된다. 원형 연료 팬은 3mm 두께의 탄소강으로 구성되어 있으며, 연료 팬의 주위는 50mm 두께의 단열재로 처리되어 있다. 연료 팬의 하부에는 연소로 인한 질량손실률을 측정하기 위한 질량측정기 가 설치되어 화재진행 동안 연료의 질량변화를 측정한 다. 개방된 문으로 서로 연결된 격실 1과 격실 2는 강 화 콘크리트 벽에 의해 외부로부터 밀폐되어 있고, 천 정의 강화 콘크리트만 단열처리 되어 있다. 각 격실에 있는 환기용 개구부를 통해 외부 공기가 0.158m³/sec 의 속도로 각각 유입 및 유출되고 있다. 주위온도는 25^oC, 상대습도 40%인 조건에서 실험은 수행되며, 실 험에 사용된 TPH의 화학 및 연소 특성은 Table 5에 표 시하였다.

3. 화재 시뮬레이션

3.1 초기 및 경계조건

가연성 액체연료인 TPH와 구조물의 초기온도는 25^oC, 상대습도 40%로 설정하였으며, 구조물을 구성하고 있 는 강화 콘크리트에 대한 경계조건은 Table 6과 같이 설정하였다.

Table 2. Heat Flux Measurement Points in Room 1 Heat Flux Measurement Point [m]

x y z

2.5 6.0 2.65

5.0 3.0 2.65

2.5 0.0 2.65

0.0 3.0 2.65

Table 3. Temperature Measurement Points in Room 1 Room 1 [m]

TG_L1_NW x y z

TG_L1_NW390 1.25 1.50 3.90 TG_L1_NW385 1.25 1.50 3.85 TG_L1_NW380 1.25 1.50 3.80 TG_L1_NW355 1.25 1.50 3.55 TG_L1_NW330 1.25 1.50 3.30 TG_L1_NW305 1.25 1.50 3.05 TG_L1_NW280 1.25 1.50 2.80 TG_L1_NW255 1.25 1.50 2.55 TG_L1_NW230 1.25 1.50 2.30 TG_L1_NW205 1.25 1.50 2.05 TG_L1_NW180 1.25 1.50 1.80 TG_L1_NW155 1.25 1.50 1.55 TG_L1_NW130 1.25 1.50 1.30 TG_L1_NW105 1.25 1.50 1.05 TG_L1_NW080 1.25 1.50 0.80 TG_L1_NW055 1.25 1.50 0.55 TG_L1_NW030 1.25 1.50 0.30

Table 4. Concentration Measurement Points in Room 1 CO₂, CO, O₂ Concentration Measurement Point [m]

x y z

HAUT* 3.75 4.50 3.30

BAS* 3.75 4.50 0.80

*See vertical view of measurement points in room 1.

Table 5. Properties of TPH^3,6) TPH

Chemical composition C₁₂H₂₆ ρ (20^oC) 0.76 g/ml

M_w 170

H_c 47500 kJ/kg

MLR 13.6 g/s

Y_co 0.013 g/g

Y_s 0.056 g/g

Flash point 51~61^oC Radiative Fraction 0.35

연소생성물인 CO와 Soot의 생성률은 실험조건과 같 이 각각 0.013g/g와 0.056g/g으로 설정하였고, 개구부 를 통한 공기 유입 및 유출은 ± 0.158m³/sec으로 실험 조건과 동일하게 설정하여, 격실의 외부로부터 유입 및 유출되는 흐름은 없는 것으로 경계조건을 설정하였다.

또한 유입 및 유출 공기의 온도는 25^oC, 상대습도는 40%로 각각 설정하였다.

3.2 화재 설정

본 연구에서 FDS의 화재 설정은 열방출률 HRR의 입력을 통해 수행된다. 화재진행에 따른 가연성 액체 TPH의 열방출률은 화재실증실험을 통해 얻은 질량손 실률에 단위질량당 연소열 ∆Hc = 47,500kJ/kg^10,11)을 곱 하여 계산하며, 이렇게 계산된 열방출률을 Figure 4에 표시하였다. 계산된 열방출률을 FDS에 입력하기 위해 열방출률 추세와 근사한 곡선을 추정하여 Figure 4에 표시하였으며, 추정된 곡선을 바탕으로 시간대별 질량 손실률과 열방출률을 Table 7에 나타내었다. 약 30분 동안 진행된 화재에 대하여 17단계의 시간대별 열방출 률을 FDS에서 입력하여 화재를 설정하였다.

Table 6. Properties of Reinforced Concrete^4,5) Reinforced concrete

ρ 2,200㎏/m³

Cp 740 J/kg/K

ε 0.9 [-]

k 1.5 W/m/K

Figure 4. HRR from MLR of experiment and FDS input HRR.

Table 7. HRR Estimation from MLR and Heat of Combustion

Time [sec] MLR [kg/s] ∆Hc [kJ/kg] HRR [kW]

\000 0.0000 47,500 000.00

\0\60 0.0000 47,500 000.00

\069 0.0030 47,500 142.50

\114 0.0065 47,500 308.75

\176 0.0090 47,500 427.50

\264 0.0115 47,500 546.25

\382 0.0135 47,500 641.25

\500 0.0114 47,500 541.50

\646 0.0090 47,500 427.50

\764 0.0084 47,500 399.00

\940 0.0080 47,500 380.00 1382 0.0080 47,500 380.00 1676 0.0085 47,500 403.75 1793 0.0080 47,500 380.00 1911 0.0060 47,500 285.00 1970 0.0040 47,500 190.00 1990 0.0000 47,500 000.00

Table 8. Grid Sizes and the Number of Grid Grid Size Total Number of. Grid

1 0.3 m 014,400

2 0.15 m 115,200

3 0.1 m 388,800

Figure 5. Temperature with various grid sizes at TG_L1_

NW380.

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 3.3 격자 구성

본 연구에 사용된 FDS의 격자 구성은 정육면체의 균일한 크기의 격자로 이루어진다. 다양한 격자크기별 로 출력값에 대한 민감도를 검토하여 최적의 격자크기 를 선정한다. 수행된 격자크기와 총 격자수를 Table 8 에 나타내었다. 격자크기 0.1m에서 수렴하여 격자크기 를 0.1m로 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

4. 분석결과

화재실증실험과 시뮬레이션 결과를 바탕으로 모델의 예측능력을 분석하였다. 또한 환기가 제한되고 외부로 부터 밀폐된 두 개의 격실에서 열방출률 및 환기/배기 량은 화재측면에서 중요한 요소이기 때문에 열방출률 및 환기/배기량의 미세변화(± 10%)에 대한 온도, 열유 속, 연소생성물 및 산소 농도의 민감도 분석 결과를 나 타내었다. 모델의 예측능력 및 중요 입력변수의 민감 도는 온도, 열유속, 농도 측면에서 비교분석하였다.

4.1 온도 비교

Figure 6에서부터 Figure 9까지는 바닥으로부터 3.80m 및 2.55m 높이의 온도 계측기 TG_L1_NW 위치(Figure 3)에서 화재실증실험 온도와 시뮬레이션 온도를 비교 하여 나타내었다. 또한, 실험조건의 열방출률보다 10%

씩 증감한 경우와 실험조건의 공기 유출입보다 10%

증감한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 두 개의 계측기 위치에서 시뮬레이션을 통한 온도는 화재 실증실험을 통한 온도와 비교하였을 때에 약 20% 정

Figure 6. Temperature with ± 10% HRR at TG_L1_

NW380.

Figure 8. Temperature with ± 10% HRR at TG_L1_

NW255.

Figure 7. Temperature with ± 10% Ventilation at TG_L1_

NW380.

도 차이를 나타내었다. 열방출률을 10% 증가 또는 감 소시켜 시뮬레이션한 경우 두 계측지점에서 동일한 실 험조건하에서 시뮬레이션 수행결과와 비교하여 5~10%

정도의 온도변화가 있었으나, 공기 유출입을 10% 증 가 또는 감소시켰을 경우에는 두 측정지점에서 온도변 화를 거의 찾을 수 없었다.

4.2 열유속 비교

Figure 10과 Figure 11은 바닥으로부터 2.65m 높이 의 계측기 지점 FLT_L1_NC에서 화재실증실험과 시뮬 레이션의 열유속(Heat Flux)을 비교하여 나타내었다.

또한, 실험조건의 열방출률보다 10%씩 증감한 경우

와 실험조건의 공기 유출입보다 10% 증감한 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 두 개의 계측기 에서 계산된 열유속은 화재실증실험의 열유속 결과와 비교하였을 때에 약 10% 정도의 차이를 나타내었다.

또한, 열방출률을 10% 증가 또는 감소시켜 시뮬레이 션한 경우 두 계측지점에서 동일한 실험조건하의 시뮬 레이션 수행결과와 비교하여 약 5~8% 정도의 열유속 변화가 있었으나, 공기 유출입을 10% 증가 또는 감소 시켰을 경우에는 두 측정지점에서 열유속 변화를 거의 찾을 수 없었다.

4.3 산소농도 비교

Figure 12와 Figure 13은 바닥으로부터 0.8m 높이의

산소농도 계측지점인 O2_L1_BAS에서 화재실증실험과 FDS시뮬레이션 산소농도를 비교하여 나타내었다. 화재 발생부터 400초까지 산소농도 감소속도가 실험결과와 유사하였으나 후반부로 갈수록 실험값 대비 최대 15%

의 차이를 나타내었다. 공기 유출입을 ± 10% 변화시켰 을 경우에는 약 3~6%의 산소농도 변화가 나타났으며, 실험조건의 열방출률보다 10%씩 증감한 경우에는 약 2~3%의 산소농도변화가 나타났다. Figure 14와 Figure 15에는 바닥으로부터 3.3m 높이의 산소농도 계측지점 인 O2_L1_HAUT에서 산소농도를 비교하여 나타내었 다. 화재발생부터 400초까지 산소농도는 실험결과와 유 사하였으나 후반부로 갈수록 실험값 대비 최대 13%의 Figure 9. Temperature with ± 10% Ventilation at TG_L1_

NW255.

Figure 11. Heat Flux with ± 10% Vent at FLT_L1_NC265.

Figure 12. O₂ Concentration with ± 10% vent (O2_L1_

BAS).

Figure 10. Heat Flux with ± 10% HRR at FLT_L1_NC265.

한국화재소방학회 논문지, 제24권 제5호, 2010년 차이를 나타내었다. 상층부의 산소농도 계측의 경우 열 방출률의 ± 10% 변화가 환기량 ± 10% 변화보다 산소 농도에 더 영향을 주는 것으로 나타났다.

5. 결 론

이중격실 수조화재에 대한 화재분석모델 FDS의 검 증은 화재실증실험의 결과와의 비교분석을 통하여 이 루어졌다. 국제공동연구 OECD/NEA PRISME Project 의 참여를 통해 수행된 화재실증실험 결과가 비교분석 에 이용되었다. FDS의 예측능력은 특정지점에서의 온

도, 농도, 열유속을 바탕으로 검증하였다. 이중격실 공 간 내에서 가연성 액체의 수조화재에 대한 FDS의 예 측능력은 실험값 대비 온도의 경우 약 20% 오차범위 를 나타냈으며, 열유속은 약 10% 오차범위, 농도는 약 15%의 오차범위를 나타내었다. 입력변수에 대한 민감 도는 열방출률 미소변화의 경우 온도는 5~10% 증감을 보였으나, 환기량 미소변화의 경우 온도 변화는 거의 나타나지 않았다. 열유속의 경우, 열방출률의 미소 증 가 혹은 감소에 따라 최대 8%의 열유속 증가 및 감소 영향을 주는 것으로 관측되었으나, 환기량 변화에 따 른 열유속 영향은 없었다. 산소농도의 경우 환기량 또 는 열방출률 미소 변화에 영향을 받았으며, 상층부에 서는 열방출률 미소변화의 영향이 하층부에서는 환기 량 미소변화의 영향이 민감하게 작용하였다.

결론적으로 한 격실이 5m × 6m × 4m 크기인 이중격 실 수조화재에 있어서 FDS의 온도, 열유속 및 농도 예 측능력은 실험 대비 약 10~20%의 오차를 나타내었으 며, FDS에서 환기량 미소변화는 온도 및 열유속의 민 감도에 별다른 영향을 주지 못하지만, 열방출률 미소 변화에 온도 및 열유속은 상당히 민감함을 확인하였다.

또한, 산소농도는 상층부 및 하층부에서 열방출률 및 환기량의 미소변화에 민감하게 반응하며, 특히 상층부 의 경우에는 열방출률 미소변화가 환기량 미소변화 보 다 더 민감하게 영향 받음을 검증하였다.

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HAUT).

Figure 13. O₂ Concentration with ± 10% HRR (O2_L1_

BAS).

Figure 14. O₂ Concentration with ± 10% HRR (O2_L1_

HAUT).

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