Study on the Ignition of Fallen Leaves by a Cigarette Butt

논 문]

담뱃불에 의한 낙엽 착화에 대한 연구

Study on the Ignition of Fallen Leaves by a Cigarette Butt

김동현^†·이명보

Donghyun Kim^† · Myung Bo Lee 국립산림과학원 산림보전부 산림방재연구과

(2010. 6. 7. 접수/2010. 10. 8. 채택)

요 약

본 연구에서는 담뱃불에 의한 낙엽 착화 특성에 대해 실험과 수치 해석을 이용하여 담뱃불로 인한 산 불 발생 위험성에 대해 구명하고자 한다. 실험 방법은 P. densiflora와 Q. variabilis 2종의 낙엽에 대해 수분함유량, 풍속, 바람방향 대비 담뱃불 위치, 낙엽에서의 담뱃불 위치, 담배 굵기, 낙엽의 부서짐 정도, 경사조건 등 총 2,304 조건에 대해 5회 반복실험을 실시하였다. 낙엽의 온도변화는 전산수치해석을 통해 분석하였다. 실험 결과, 전체 2,304 조건의 실험에서 약 8.6%인 197조건에서 발화가 되었고 각 조건별 5회 반복실험에서 모두 발화된 최적조건은 전체의 약 0.6%인 13조건으로 조사되었다. 담뱃불로 인해 100% 발화가 가능한 최적 조건은 수분함유량 15% 미만, 부서진 낙엽상태, 풍속 2.0m/s 이상, 담뱃불이 낙엽에 덮여 있는 조건이 일치할 경우인 것으로 분석되었다. 열전달 수치해석을 이용한 Q. variabilis 낙 엽의 온도변화를 분석한 결과, 담뱃불 부근의 낙엽 바닥면에서 약 307^oC(Max. 317^oC) 이상 온도가 지속 되는 것으로 나타났다. 따라서 Q. variabilis의 자연발화 및 착화온도가 각각 307^oC, 305^oC인 것에 비추 어 담뱃불로 인한 발화가 가능한 것으로 분석되었다.

ABSTRACT

In order to find out the environment vulnerable to cigarette fire in which smoldering fire grows into flame fire, a cigarette combustion test and numerical analysis were performed using fallen leaves of P. densiflora and Q. variabilis. Tests were repeated five times on 2,304 conditions with four cases of fuel moisture content, six cases of velocity, two cases of cigaret location against direction of the wind, three cases of cigaret location against fallen leaves, two species of thickness of cigaret, two cases of slope conditions and two cases of fragileness of fallen leaves. Cigaret fire’s flammability to the fallen leaves was monitored by analyzing heat transfer process using CFD (Computational Fluid Dynamic) under the most optimal condition through an ignition test on 2,304 conditions. The result of a cigaret fire ignition test for fallen leaves, found ignition in 197 conditions out of 2,304 conditions represent- ing 8.6% while 13 conditions representing approximately 0.6% saw ignition across five repeated tests.

The result of CFD analysis, the temperature of the bottom of fallen leaves was reached on self-igni- tion and pilot-ignition temperature.

Key words : Forest fire, Cigarette, Smoldering fire, Combustion test

1. 서 론

최근 10년간(2000~2009) 담뱃불로 인한 일반화재와 산불 통계를 살펴보면, 연평균 우리나라의 전체 화재 36,357건 중 담뱃불로 인한 화재는 4,339건으로 전체

원인의 12%를 차지하고 있다. 일본의 전체 화재건수 는 연평균 57,534건이 발생하였고 이중 담뱃불로 인한 화재는 약 5,871건으로 전체 화재원인의 약 10.2%를 차지하고 있다. 담뱃불로 인한 산불 발생률을 살펴보 면, 한국은 연평균 570건의 산불 발생 중 51건인 약 9.8%, 일본은 2,082건의 산불 발생 중 298건인 약 12.7%, 미국 Fish& Wildlife Service에서 관리하고 있는 지역

†E-mail: [email protected]

의 산불 통계에서는 537건의 산불 발생 중 15건인 약 2.7%가 담뱃불로 인해 산불이 발생되는 것으로 조사되 었다(Table 1). 미국이 산불 발생 통계에서 담뱃불로 인 한 산불 발생률이 상대적으로 낮은 것은 화재안전담배 의 사용과 함께 번갯불에 의한 산불발생이 약 30% 이 상 차지하기 때문이다. 이와 같이 담배로 인한 화재 발 생은 세계적으로 매년 반복되어 발생하고 있다. 특히, 우리나라는 2005년 4월 4일 발생한 양양산불이 담뱃 불로 인해 발생되어 사찰 및 동종(銅鐘)을 포함한 문 화재 22점과 416동의 건축물이 피해를 입은 사례가 있다.

기존의 연구에서 담배로 인해 화재로 확산되는 연구 는 가구, 소파 등 실험위주의 연구가 많이 진행되어 왔 지만 담뱃불로 인한 산불발생에 대한 실험 연구 및 수 치해석 연구 사례는 아직 보고되지 않았다. 국내 연구 에서는 담배에 의한 착화성에 관한 실험 연구는 발표 된 바 없으며 천연 섬유, 쌀겨, 전분 등 분진에 대한 연소특성 및 훈소 위험성에 대한 연구가 진행된 바 있 다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 주요수종인 소나 무와 굴참나무 낙엽을 대상으로 담뱃불에 의한 훈소 연소가 화염 연소로 전이될 수 있는 조건을 실험을 통 해 알아보고자 한다. 또한 열전달과정에 대한 수치해 석을 통해 온도변화를 분석하여 담뱃불에 의한 낙엽 착화가능성에 대해 증명하였다.

2. 담배의 연소특성

담배연소는 속도가 느리고 불꽃이 없는 전형적인 훈 소 연소이다. 담배의 열원 강도는 미약하지만 주변 가 연물질로 훈소 면적을 확대시키면서 열원 강도가 점 차 증가되면서 화염연소를 일으킨다. 훈소 연소가 화 염 연소로 이어지도록 하는 인자에는 산소공급량의 증 가, 훈소 물질의 표면적 증가로 인한 훈소 면적의 확 대, 주위환경에 대한 복사 및 대류열 손실을 감소시키

고 기체상태 연료농도 형성을 촉진시키는 연료 형상 등이 있다. 담배의 훈소 전파는 산소유동방향과 훈소 선단의 이동방향이 같은 정방향 훈소이다. 담배의 연 소속도 및 담뱃불 온도는 방향에 따라 차이가 있으며 수평조건에서의 담배 중심점의 최대온도는 665^oC이고 수직조건의 최대 온도는 725^oC(R. NII, 1955)로 보고 된 바 있고 일반적인 담배의 표면온도는 600 ± 50^oC (Henri E. Mitler and George N. Walton, 1993)로 보고 된 바 있다.

자연대류상태의 저판조건에서 담배의 연소속도는 수 평상태 4.5mm/min, 수직상태 4.9mm/min이고 담배 굵 기가 7~8mm이고 길이가 77mm인 담배가 다 연소될 때까지 걸리는 시간은 수평상태일 때는 약 17분, 수직 상태일 때는 약 15분이 걸리는 것으로 보고된 바 있다 (R. NII, 1955).

3. 실험방법

3.1 실험 조건 3.1.1 시험 장치

야외에서의 담뱃불 착화실험은 풍속 및 수분함유량 등의 조건들을 일정하게 조절하가 어렵기 때문에 Figure 2와 같이 담뱃불 착화실험 장치를 제작하여 실내 실 험을 실시하였다. 시험장치의 (a)와 (b)는 각각 평면도 와 측면도이다. Figure 2에서 오른쪽에 위치한 장치는 송풍기이며 토출측 크기를 낙엽 시료함 폭 크기에 맞 추어 균일한 바람이 갈 수 있도록 하였다. Figure 2에 서 왼쪽에 위치한 장치는 낙엽을 놓는 시료함으로 가 운데 칸막이를 두어 1회 3반복 실험을 할 수 있도록 제작하였다. 특히, 3회 동시 반복 실험에서 한 지점에 서 먼저 발화할 경우, 옆 시료함에는 열이 전달되지 않도록 제작하였다. 또한 경사각을 0~30^o까지 조절할 수 있도록 제작하였다. 본 실험에서는 우리나라 산악 에서 사람이 통행 할 수 있는 산림의 평균 경사각을 약 20^o로 적용하여 평지와 20^o 경사 등 2가지 조건으 로 실험하였다.

풍속은 시료함 연료표면에서 풍속을 측정한 후 송풍 기 전류량 조절을 통해 풍속을 조절하였고 no wind, Table 1. Number of Fires/Forest Fires and Ratio of

Cigarette Fires in the Last 10 Years (2000~2009) County Cause Fires Forest fire Republic

of Korea

Total no. 47,318 570 Smoking 04,646 51 Japan Total no. 57,534 2,082 Smoking 05,871 298 U.S.^* Total no. - 537

Smoking - 15

*Statistics of U.S Fish % Wildlife Service

Figure 1. Schematic diagram of temperature distribution inside a cigarette (Unit: ^oC, Baker 1975).

0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s, 2.0m/s, 2.5 m/s 등 6가지 조건 으로 실험하였다. 담뱃불 착화 실험은 각 조건별로 25 분간 진행하였으며 Thermal image camera를 이용하여 표면에 감지되는 열이 나타나지 않을 때까지 실험을 진행하였다.

3.1.2 낙엽 시료 및 실험 조건

시료의 채취는 소나무와 굴참나무 산림의 낙엽의 Litter층을 채집하여 실험하였다. 일반적으로 담배를 떨 어트릴 경우, 낙엽층의 Litter층에 떨어지고 Humus층과 Fermentation층은 Litter층에 비해 수분함유량이 많고 공 기 투과율이 낮아 발화가능성이 매우 낮을 것이라 판 단하여 실험대상에서 제외하였다. 따라서 시료는 Table

2와 같이 P. densiflora, Q. variabilis 두 수종의 낙엽에 대해 온전한 낙엽과 온전한 낙엽의 약 3% 크기로 잘 게 부서진 낙엽에 대해 실험하였다. 도로주변 또는 산 책로 주변 등 사람이 다니는 곳의 낙엽은 온전하지 않 고 부서져 있기 때문에 담뱃불 발화율에 어떤 영향이 있는지 살펴보기 위해 부서진 낙엽에 대해 실험을 실 시하였다. 낙엽 착화실험에서 동일한 수분조건으로 반 복실험을 실시하기 위해 젖은 낙엽을 80^oC 열풍건조기 에 건조시켜 시간경과에 따라 달라지는 수분함유량의 낙엽을 밀폐용기에 보관하여 실험을 실시하였다. 이때 낙엽의 수분함유량 조건은 P. densiflora는 15%, 23%, 37%, 42%, Q. variabilis는 8%, 13%, 17%, 29% 등 각 각 4조건으로 실험하였다. 일반적으로 산불위험시기의 Figure 2. Mimetic diagram of cigarette fire ignition test equipment; (a) ground view, (b) side view.

Table 2. Test Conditions of Fallen Leaves Sample and Cigarette Ignition

Items (cases)

Fuel conditions Weather conditions

Terrain conditions

Cigaret conditions Species of

tree (2)

Size (2)

FMC (4)

Wind speed (6)

Slope (2)

Thickness (2)

Direction to wind (2)

Cigaret location to litter layer (3) Contents - P. densiflora

(P. d.) - Q. variabilis (Q. v.)

- whole leaves - 3% size of

whole leaves

- P. d.: 15%, 23%, 37%, 42%

- Q. v.: 8%, 13%, 17%, 29%

- no wind - 0.5 m/s - 1.0 m/s - 1.5 m/s - 2.0 m/s - 2.5 m/s

- no slope - 20^o

- 8 mm - 5 mm

- forward - reverse

- on litter layer - middle of litter

layer

- bottom of litter layer

낙엽 수분함유량은 15% 미만이지만 20% 이상의 수분 함유량 조건에서도 담뱃불로 인한 발화가 가능한지 함 께 실험하였다. 풍속별 실험은 풍속이 빠를수록 공기 유입량이 증가하고 이로 인해 훈소 면적이 증가되는 것에 가정을 두고 풍속별 착화실험을 실시하였다.

경사조건은 평지, 20^o 등 2가지 조건에 대해 실험하였 다. 경사 조건에 대한 설명은 앞서 시험 장치에서 언 급하였다. 담배에 대한 조건은 먼저. 담배의 굵기에 따 라 발화원 표면적이 달라지기 때문에 착화율에 영향을 미칠 수 있다는 가정을 두고 우리나라에서 판매하는 담배 굵기인 8mm, 5mm 이 2가지에 대해 실험하였다.

바람이 부는 방향에 따른 담뱃불의 위치는 Figure 3 에서 보이는 바와 같이, 불씨가 순방향과 역방향의 2가지 위치에 대해 실험을 실시하였다. 자연상태의 담 뱃불의 연소방향은 정방향 훈소 연소이지만 바람의 방 향과 반대방향일 경우 역방향 훈소 형태로 정방향 연 소에 비해 느린 연소속도를 나타내게 된다. 따라서 담 뱃불 변화에 대한 착화율 차이를 살펴보고자 한다. 낙 엽 층에서의 담뱃불 위치는 Figure 4에서 보이는 바와 같이, 낙엽 위, 낙엽 중간, 낙엽 바닥 3가지에 대해 실 험하였다. 담뱃불이 낙엽층 아래에 있을수록 산소공급 이 원활하지 않지만 훈소 연소시 발열되는 에너지를 보전할 수 있는 특성을 함께 가지고 있다. 따라서 담 뱃불 낙엽착화 실험은 상기에서 언급한 8가지 변수들 에 대해 총 2304조건에 대해 5회 반복하여 실시하였 다(Table 2).

4. 수치해석

4.1 수치해석 모델의 적용

담뱃불로 인한 낙엽의 착화가능성을 판단하기 위해 전산유체역학을 이용하여 온도변화를 해석하였다. 수 치해석에서 유체 및 에너지의 이동현상 해석에 필요한 방정식은 질량, 운동량, 에너지 보존법칙을 미소 체적 에 적용하여 비선형연립편미분 방정식으로 해석하였다.

CFD Fluent를 이용한 수치해석 모델링은 해석에 필요 한 지배방정식을 사용하는데 주요해석 인자들에 대한 지배방정식은 다음과 같다. 여기서 난류 모델은 Standard k-ε model을 적용하였고 복사열전달 모델은 S2S(surface to surface) model을 적용하였다.

① The mass conservation equation

(1)

S_m: the mass added to the continuous phase from the dispersed second phase and any user-defined sources, x_i: the axial coordinate, v_i: the axial velocity, ρ:

density, t: time

② Momentum Conservation Equation

(2)

p: the static pressure, τij: stress tensor, g_i: gravity,

∂ρ∂t --- + ∂

∂xi

---(ρui) = Sm

∂t∂

----(ρui) + ∂∂xi

---(ρuiu_j) = − ∂p

∂xi

--- + ∂τ_ij

∂xj

--- + ρgi + F_i Figure 3. Schematic diagram of cigarette smoldering fire’s location relative to wind; (a) forward to wind direction, F direction, (b) reverse to wind direction, R direction.

Figure 4. Schematic diagram of cigarette smoldering fire’s location in the litter layer; (a) on litter layer, (b) middle of litter layer, (c) bottom of litter layer.

F_i: body force

③ Energy Conservation Equation

(3)

여기서,

(4)

T: Temp. (^oC), T_ref: Reference Temp. (^oC), K: 혼합 물의 열전도 계수, τij: viscous stress tensor, J_j': j'번째 화학종의 유속, Sh: 엔탈피 증가

④ Turbulence Model (Standard k-ε model)

(5)

(6) 여기서, 각 변수들의 값은 각각 C1ε= 1.44, C_2ε= 1.92, σk= 1.0, σε= 1.3을 두었고 Gk와 Gb는 각각 다음과 같 이 나타낼 수 있다.

(7)

⑤ Radiative Transfer Equation

(8)

: position vector, : direction vector, : scattering direction vector, s: path length, a: absorption coefficient, n: refractive index, σ: Stefan-Boltzmann constant, σs: scattering coefficient, I: radiation intensity, which depends on position ( ) and direction ( ), T: local temperature, Φ: phase function, Ω': solid angle

4.2 격자형성 및 적용조건

수치해석을 이용한 담뱃불의 낙엽착화가능성을 해석 하기 위해 굴참나무 낙엽을 대상으로 Table 3, 4와 같

이 물성 값과 형상정보 값을 각각 설정하였다. 물성값 에서 열전도도는 일반적인 셀룰로오즈 성분의 열전도 도 값을 적용하였고 비열은 표준대기조건을 적용하였 다. 담뱃불 낙엽 착화 상태 조건은 상기 실험에서 5회 반복 실험시 모두 착화가 일어난 조건인 굴참나무 온 전한 낙엽, 수분함유량 8%, 풍속 2m/s, 평지, 정방향 담뱃불 위치, 낙엽중간층의 담뱃불 위치, 담배굵기 8mm 로 설정하였다. 담배의 연소 조건은 연소속도 0.095mm/

s, 담뱃불 최대온도 600^oC로 설정하였고 대기온도조건 에서 10초 후에 담배의 온도가 최대온도로 상승하여 지속적으로 연소되는 것을 가정하였다. 담배의 연소속 도는 국내산 8mm 담배에 불을 붙인 뒤 수평상태에서 자연적인 연소 속도를 측정하여 적용하였다. 담뱃불 최 대온도는 열화상 카메라 측정을 통해 담배표면의 최고 온도인 약 600^oC를 적용하였으면 이는 Figure 1의 600^oC 부근의 지점과 일치한다.

∂t∂

----( ) + ∂ρh ∂xi

---(ρu_ih) = ∂∂x--- K ∂i T

∂xi

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ − ∂

∂xi

--- h_j'J_j'

∑

+ ∂p --- + u∂t _i∂p

∂xi

--- + τ_ij∂u_i

∂xj

--- + S_h

h = m_ih_i' C_{p i',}dT

∑

∂t∂

----( ) + ∂ρk ∂x---_i(ρuik) = ∂∂x---_i µt

σ_k --- ∂k

∂x_i ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ + G_k+G

b − ρε

∂t∂

----( ) + ∂ρε ∂x---_i(ρu_ik) = ∂∂x---_i m_t σ_ε --- ∂ε

∂x_i ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

+ C_1εε

k--- G( _k + 1( − C_3ε)G_b) − C_2ερε² ----k

G_k = µ_t∂uj

∂x_i --- + ∂ui

∂x_j ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞∂u^j

∂x_i

---, G_b = g_i µt

ρσ_h --- ∂ρ

∂x_i ---

⎝ ⋅ ⎠

⎛ ⎞

dI r s( ),

--- + a + ds ( σ_s)I r s( ),

= an²σT₄ --- + π σ_s

4π

--- I r s'( , )Φ s s'( , )dΩ'

0

∫4π

r s s'

r s

Table 3. Property Value in Boundary Conditions Density

(kg/m³)

Heat conductivity

(W/mk)

Specific heat (Cp, kJ/kgK) Q.variabilis

fallen leave 6.0 0.17

1.01 Cigaret 217.2 0.17

Table 4. Shape Information in Boundary Conditions Length (m) Width (m) Thickness (m) Q.variabilis

fallen leave 0.06 0.05 0.0005 Cigaret 0.082

(filter 0.027) 0.008 -

Figure 5. Shape information on boundary conditions in which cigarette fire ignites to fallen leaves.

Figure 5는 Table 4의 격자 형상정보 값으로 설정한 경계조건을 형상화한 것이다. 바람의 방향은 담배의 연 소가 정방향 훈소 연소가 진행될 수 있도록 하였다. 담 배는 cylinder 형상으로 표현하였고 담배가 낙엽에 덮 여진 조건으로 하여 온도변화를 관찰하였다.

5. 결 과

5.1 담뱃불 낙엽발화 실험

Figure 6은 분쇄 낙엽에 대해 경사 20^o, 풍속 2.0m/

s, 담뱃불 위치-낙엽중간, 바람의 역방향, FMC 15%의 조건에서 발화가 일어난 장면이다. 열화상 카메라에서 에서 착화가 발생되지 않은 낙엽에서도 열이 감지되고 있는 것을 확인할 수 있다.

각 세부조건별 담뱃불 낙엽 착화 실험 결과는 Table 5와 같고 이에 대한 내용은 다음과 같다.

5.1.1 수종별(2수종)

수종별 각 1,152조건에 대해 5회 반복 실험한 낙엽 의 담뱃불 착화율은 P. densiflora 1.91%, Q. variabilis 1.51%로 나타났다. 1,152 조건에서 1회 이상 착화가 일 어난 조건은 P. densiflora에서는 70 조건, Q. variabilis 는 60 조건으로 조건별 착화율은 각각 6.94%, 5.21%

로 나타났다. 굴참나무에 비해 소나무 낙엽의 착화율 이 다고 높게 나타났다. 하지만 온전한 소나무 낙엽에

서는 착화가 일어나지 않았다.

5.1.2 연료의 크기별(2조건)

낙엽 연료 크기별 착화실험 결과는 Figure 7에서 보 이는 바와 같이 P. densiflora의 온전한 낙엽의 경우에 는 모든 조건에서 발화가 일어나지 않았고 Q. variabilis 의 경우, 576 조건 5회 반복실험에서 단 4건만 발화되 어 0.14% 발화율을 나타냈다. 결론적으로 온전한 낙엽 이 부서진 낙엽에 비해 상대적으로 발화가 잘 일어나 지 않았고 분쇄된 소나무 낙엽의 경우 분쇄된 굴참나 무 낙엽보다 약 33% 높은 발화율을 보였다.

5.1.3 수분함유량별(4조건)

낙엽 수분함유량별 담뱃불 착화실험에서는 Table 5 에 나타난 바와 같이 모든 조건에서 발화가 되지 않은 수분함유량은 P. densiflora는 42% 이상, Q. variabilis 는 17% 이상인 것으로 나타났다. P. densiflora 낙 엽의 경우 23% 이상의 수분함유량부터 발화율이 급 격히 감소하다 42% 수분함유량에서는 발화되지 않 았다. Q. variabilis 낙엽의 경우 13%까지 발화가 되 었지만 17%이상의 수분함유량 조건에서는 발화되지 않았다. 따라서, P. densiflora 낙엽의 경우에는 상대 적으로 수분함유량이 높은 조건에서도 발화가 가능 한 것으로 나타났다. Figure 8은 수분함유량에 따른 낙엽 착화 평균 소요시간 측정 결과로 수분함유량 이 높을수록 착화소요시간이 많이 걸리는 것으로 나 타났다.

Figure 6. Cigarette smoldering fire's ignition to P.

densiflora, Q. variabilis fallen leaves and temperature distribution; (a) ignition of Q. variabilis fallen leaves, (b) ignition of P. densiflora fallen leaves, (c) thermal image during ignition of Q. variabilis fallen leaves, (d) thermal image during ignition of P. densiflora fallen leaves.

Figure 7. Ignition rate of cigarette fire to fallen leaves by fuel size (P_W: P. densiflora’s whole leaves, P_3%: broken leaves 3% size of P. densiflora's whole leaves, Q_W: Q.

variabilis’ whole leaves, Q_3%: broken leaves 3% size of Q. variabilis’ whole leaves, T_W: Combined ignition rate of whole leaves, T_3%: combined ignition rate of broken leaves 3% size of whole leaves).

Table 5. Result of Test on Cigarette Smoldering Fire’s Ignition to Fallen Leaves Items Species

of Tree Conditions

Number of Experiment Conditions

Total Test Number

Ignition Number

Iginition Rate

(%)

Fuel Conditions

Species of Tree

P. densiflora 1152 5760 110 1.91

Q. variabilis 1152 5760 87 1.51

Status of Fuel (Fuel size)

P. densiflora whole 576 2880 0 0

3% of whole leaves 576 2880 110 3.82

Q. variabilis whole 576 2880 4 0.14

3% of whole leaves 576 2880 83 2.88

Fuel Moisture Contents

(%)

P. densiflora

15 288 1440 99 6.88

23 288 1440 7 0.49

37 288 1440 4 0.28

42 288 1440 0 0

Q. variabilis

8 288 1440 81 5.23

13 288 1440 6 0.42

17 288 1440 0 0

29 288 1440 0 0

Weather Conditions

Wind Speed (m/s)

P. densiflora

0.0 192 960 0 0

0.5 192 960 0 0

1.0 192 960 2 0.21

1.5 192 960 24 2.50

2.0 192 960 37 3.85

2.5 192 960 47 4.90

Q. variabilis

0.0 192 960 0 0

0.5 192 960 0 0

1.0 192 960 0 0

1.5 192 960 15 1.56

2.0 192 960 29 3.02

2.5 192 960 43 4.48

Terrain Conditions

Slope Condition

(^o)

P. densiflora 0 576 2880 48 1.67

20 576 2880 62 2.15

Q. variabilis 0 576 2880 20 0.69

20 576 2880 67 2.33

Cigaret Conditions

Direction to Wind

P. densiflora F 576 2880 55 1.91

R 576 2880 55 1.91

Q. variabilis F 576 2880 46 1.60

R 576 2880 41 1.42

Cigaret Location on Litter Layer

P. densiflora

top 384 1920 29 1.51

middle 384 1920 41 2.14

bottom 384 1920 40 2.08

Q. variabilis

top 384 1920 18 0.94

middle 384 1920 38 1.98

bottom 384 1920 31 1.61

Thickness of Cigaret

P. densiflora 8 mm 576 2880 105 3.65

5 mm 576 2880 5 0.17

Q. variabilis 8 mm 576 2880 85 2.95

5 mm 576 2880 2 0.07

5.1.4 풍속별(6조건)

풍속에 따른 착화실험 결과는 Figure 9에서 보이는 바와 같이 P. densiflora의 온전한 낙엽에서는 발화가 일어나지 않았고 분쇄낙엽에서는 풍속 1.0m/s 이상의

조건에서 발화가 시작되어 풍속이 증가할수록 발화율 이 함께 증가되었다. Q. variabilis의 경우, 풍속 1.5m/

s 이상의 조건에서 발화가 시작되어 풍속이 증가할수 록 발화율이 증가되었다. 특히, Q. variabilis의 온전한 낙엽은 풍속 1.5m/s 조건에서부터 발화가 시작되어 발 화되지 않은 P. densiflora의 온전한 낙엽과 차이를 나 타내었다.

풍속에 따른 낙엽착화 소요시간은 Figure 10에서 보 이는 바와 같이 풍속이 증가할수록 착화 소요시간이 빨라지는 것을 알 수 있고 최대 착화 소요시간은 풍속 1.0m/s일때 20분 12초, 최소 착화 소요시간은 풍속 2.5m/

s 일때 1분 30초로 나타났다. 풍속별 평균 착화소요시 간은 2.5m/s(3.9min) > 2.0m/s(6.4 min) > 1.5m/s(11.2min)

> 1m/s(18.9min)로 나타났다.

5.1.5 경사(2조건)

경사도에 따른 담뱃불 착화 실험 결과, 평지 조건에 서보다 20도 경사조건에서의 발화율이 높게 나타났다.

P. densiflora 낙엽에서는 no slope 1.67%, 20° 2.15%, Q. variabilis에서는 no slope 0.69%, 20^o 2.33%의 발화 율을 보였다. 이는 경사가 증가할수록 바람벡터의 크 기가 증가되어 풍속이 빨라지는 효과에 기인한 것으로 사료된다. 상기 풍속에 따른 발화율 측정실험에서 풍 속이 증가할수록 발화율이 증가하는 경향을 잘 보여주 고 있다(Table 5).

5.1.6 바람에 대한 담뱃불 방향(2조건)

바람에 대한 담뱃불 방향에 따른 착화 실험 결과, 바 람에 대한 정방향 연소와 역방향 연소의 발화율 차이 실험에서 P. densiflora 낙엽의 경우, 양 방향 모두 1.91%

의 동일한 발화율을 보였고 Q. variabilis에서는 정방향 Figure 8. Average ignition time of fallen leaves by FMC.

Figure 10. Ignition time by wind velocity.

Figure 9. Ignition rate of tree species/size of fallen leaves by wind velocity.

Figure 11. Ignition time of fallen leaves by size and tree species in different velocity.

연소가 약 0.18% 발화율이 높게 나타났다(Table 5). 따 라서 바람에 대한 담뱃불 방향에 따른 착화율은 큰 차 이를 보이지 않았다. 하지만 Figure 11의 착화시간 소 요시간 측정 결과, 정방향 연소 위치일 경우 보다 빠 른 착화시간을 나타내었다.

5.1.7 낙엽층에서의 담배위치(3조건)

낙엽층에 대한 담뱃불 위치에 따른 착화실험에서는 Table 5에서 보이는 바와 같이 낙엽 중간층 > 낙엽층 바닥 > 낙엽층 위의 순으로 높은 발화율을 나타내었다.

낙엽 층의 담뱃불 위치에 따라 풍속과 에너지 손실율 이 달라질 수 있는데 풍속의 경우, 산소의 공급을 용 이하게 하지만 한편으로는 열에너지 손실을 가져오게 하는 요인이 된다. 따라서 낙엽층의 담뱃불 위치에 따 른 최적의 발화 조건은 적절한 공기의 공급과 열에너 지 손실이 적은 조건으로 볼 수 있다. 이 실험에서는 낙엽의 중간층에서의 발화 조건이 가장 최적 조건인 것으로 판단된다.

5.1.8 담배 굵기별(2조건)

담배 굵기에 따른 낙엽 착화 실험에서는 Table 5에 서 보이는 바와 같이 8mm 굵기의 담배 착화율이 5mm 굵기의 담배 착화율보다 약 48배 높은 착화율을 나타

내었다. 5mm 굵기의 담배에서는 풍속 2.5m/s 이상, 수 분함유량 15% 미만, 분쇄낙엽, 20^o 경사조건, 낙엽의 중간층에 놓여 있을 경우에만 부분적으로 착화가 되었 다. 따라서 발화원의 표면적이 클수록 착화가 용이한 것으로 나타났다. 하지만 5mm 굵기의 얇은 담배의 경 우에도 최적의 조건일 때는 낙엽 착화가 가능한 것으 로 나타나 결론적으로 담배 크기에 관계없이 낙엽 착 화가 가능한 것으로 볼 수 있다.

5.2 담뱃불 낙엽 온도변화 수치해석

Computational Fluid Dynamic를 이용하여 담뱃불의 낙엽 온도변화에 대해 수치해석 분석 결과, Figure 12 에서 보이는 바와 같이 10초 경과 후부터 낙엽부위에 온도상승 및 범위가 증가되고 있고 담뱃불과 직접 접 해져 있는 바닥면의 온도와 연소면적이 증가하는 것을 보여주고 있다.

Figure 13은 시간경과에 따른 낙엽 부위별 온도 변 화를 보여주는 것으로 10초 경과부터 각 부위별 온도 가 227^oC 이상 증가한 후 약 22초 경과부터는 낙엽 상 부의 온도가 점차 감소하는 경향을 나타내었고 낙엽 중간부위와 낙엽 바닥면은 각각 평균 277^oC, 307^oC를 지속적으로 유지하고 있는 것으로 나타났다. 120초간 의 수치해석 분석결과에서 부위별 최고 온도는 낙엽

Figure 12. Numerical analysis temperature distribution by time lapse (Temperature unit: ^oC).

상부 284^oC, 낙엽 중간 296^oC, 낙엽 바닥 322^oC로 낙 엽 바닥면의 온도가 가장 높게 나타났고 오랫동안 유 지되는 것으로 나타났다.

따라서 Q. variabilis 낙엽의 Self-ignition 273^oC, Pilot ignition 305^oC³⁾이므로 수치해석 결과, 낙엽 착화가 가 능한 온도에 도달하는 것으로 나타났다.

6. 고 찰

담뱃불에 의한 낙엽의 발화는 훈소 연소 메커니즘에 대한 고찰이 필요하다. 담배의 경우에서는 훈소 물질 에서 나타나는 보편적인 특징을 가지고 있다. 첫째는 미세하게 분해된 연료 입자는 표면적이 넓어 산소 접 촉공간을 많이 확보함으로써 연소과정에 도움을 준다.

둘째는 담배자체의 연료 입자 덩어리가 단열재 역할을 함으로써 열 손실율을 적게 하여 낮은 열 방출에도 불 구하고 지속적인 연소를 가능하게 한다. 셋째는 미세 연료 물질이 가지는 투과성으로 확산 및 대류에 의해 산소가 열과 반응하여 산화반응이 발생할 수 있도록 산소를 공급해주는 통로를 확보하고 있다. 이번 연구 를 통해 표면적 크기, 단열 효과, 산소 접촉 용이성 등 3가지 훈소 특성에 따른 착화특성을 Table 5의 실험결 과를 바탕으로 평가하면 다음과 같다. 표면적의 크기 별 발화율을 보면 전체 11,520회 실험 중 온전한 낙엽 (whole faalen leaves)은 4건이 발화 되었고 3% size of whole fallen leaves는 194건의 발화되어 표면적이 클수 록 발화율이 현저히 높게 나타났다. 단열효과와 산소 접촉 용이성은 낙엽층의 담뱃불 위치별 발화율에서 설 명할 수 있다. 일반적인 단열효과는 낙엽층 바닥 낙엽 층 중간 > 낙엽층 상부 로 나타낼 수 있고(Fig. 13) 산

소접촉 용이성은 낙엽층 상부 > 낙엽층 중간 > 낙엽층 바닥 순으로 나타낼 수 있다. 여기서 낙엽층 상부의 경 우, 담뱃불과 접촉하는 훈소 표면적이 작아 열방출에 너지를 수용할 수 있는 면적이 작다고 볼 수 있다. 따 라서 상기 특성들을 고려한 낙엽 착화율은 낙엽층 중 간층 > 낙엽층 바닥 > 낙엽층 위의 순으로 가정할 수 있 고 Table 5의 실험 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.

또한 풍속이 증가할수록 발화율이 증가하는 이유가 산 소 공급량이 증가하여 산소 접촉이 용이해지기 때문이다.

담배와 함께 낙엽층 또한 훈소 연료 물질로 구분할 수 있고 담배는 제한된 훈소 연소를 하는 발화원인데 반해 낙엽층은 훈소 연소를 시작으로 화염단계까지 성 장할 수 있는 비 제한적 훈소 연료형 물질로 볼 수이 다. 따라서 담배 자체가 직접 화염을 일으킬 수 없지 만 낙엽층에 놓일 경우 훈소 연소 면적을 증가시켜 화 염을 발생할 수 있는 중간단계 역할을 한다고 볼 수 있다.

7. 결 론

본 연구에서 실시한 담뱃불 낙엽 착화 실험과 수치 해석을 통한 낙엽부위별 온도변화 분석 결과를 토대로 다음과 같이 정리하고자 한다.

첫째, 담뱃불 낙엽 발화 실험 조건에서 5회 반복 실 험 모두 발화한 공통조건은 분쇄 상태의 낙엽, 담뱃불 이 낙엽에 덮여있는 상태, 풍속 2.0m/s 이상, 수분함유 량 15% 미만, 8mm 굵은 담배 조건으로 조사되었다.

둘째, 따라서 건조하고 강한 바람이 부는 산불 위험 시기에는 도로변, 등산로 주변의 부스러진 낙엽에서 담 뱃불에 의한 산불발생 위험성이 매우 높은 것으로 사 료된다.

셋째, 낙엽층에 담뱃불이 떨어지면 처음에는 불꽃이 일어나지 않으나 낙엽속의 축열 효과로 인해 발화하는 데 걸린 경과시간은 최대 20분 12초가 소요되어 산불 발생 감시 및 원인 조사 등에 이에 대한 시간적 고려 가 필요하다.

결론적으로 담뱃불은 산불을 발생시킬 수 있고 이로 인해 2005년 양양산불과 같은 재해를 가져올 수 있는 불씨가 될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 흡 연자들에 대한 지속적인 계도 및 방지활동에 대한 필 요성과 함께 화재발생 위험성이 보다 낮은 화재안전담 배를 사용할 것을 제안하고자 한다.

참고문헌

1. 산림청, “산불통계연보”, 산림청(2001-2009).

Figure 13. Temperature distribution of fallen leaves by time lapse.

2. 日本總務省消防廳, “消防白書”, 日本總務省消防廳 (2001-2009).

3. 김동현, 이명보, 강영호, 이시영, “지표물질 착화성 실 험을 통한 발화위험성 분석”, 한국방재학회 학술발표 대표 논문집, pp.379-384(2006).

4. 이창우, 김정환, 현성호, “천연섬유분진의 연소특성에 관한 연구”, 한국화재소방학회 논문지, Vol.13, No.1, pp.3-10(1999).

5. 이창우, 김정환, 현성호, “쌀겨 분진의 훈소 위험성에 관한 연구”, 한국화재소방학회 논문지, Vol.13, No.2, pp.12-17(1999).

6. 김정환, 현성호, 이창우, “전분 분진의 연소특성에 관 한 연구”, 한국화재소방학회 논문지, Vol.15, No.2, pp.1-5(2001).

7. R. Baker, “Temperature Variation Within a Cigarette Combustion Coal During the Smoking Cycle”, High Temperature Science 7, p.236(1975).

8. A. Egerton, K. Gugan, and F.J. Weinberg, “The Mechanism of Smoldering in Cigarettes”, Combustion and Flame 7, p.63(1963).

9. Henri E. Mitler and George N. Walton, “Modeling the Ignition of Soft Furnishings by a Cigarette.

National Institute of Standards and Technology”, Special Publication, p.852(1993).

10. R. NII, “Burning Characteristics of Japanese Cigarets on Several Conditions”, Fire Research Institute of Japan. Report of Fire Research Institute of Japan 6, pp.1-10(1955).

11. R. Haubner and K. Kopf, “Proc. 3rd Intern. Symp.

Surface Modification Tech.”, eds T.S. Sudarshan, D.

G. Bhat, p.325(1980).

12. U.S. Fish & Wildlife Service, ‘Archived FWS Program Statistics’, http://www.fws.gov/fire/.