Numerical Study on the Change in Fire Characteristic as Operating Water-mist in Under-ventilated Compartments

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워터미스트 작동에 의한 산소저공급 실내화재 특성 변화에 대한 수치해석 연구

고권현^*·이성혁^**·유홍선^†

Numerical Study on the Change in Fire Characteristic as Operating Water-mist in Under-ventilated Compartments

G. H. Ko, S. H. Lee and H. S. Ryou

Key Words: Compartment fires(공간화재), Heat release rate(발열량), Under-ventilated fires(산소저공급화재), Water-mist (^{워터미스트})

Abstract

The present article reports a numerical study on the fire characteristic change by water-mist in under-ventilated compartments. The natural gas and heptane pool fires are used as fire sources, which are located in the bottom center of the 2/5 reduced-scaled model of the ISO 9705 standard room. The fire modeling using the FDS (Fire Dynamics Simulator) is vali- dated by comparison with previously published experimental results. For temperature and combustion gas concentrations at two positions located in the upper layer of compartment, the predicted results with and without water-mist are compared each other. The results show that under the water-mist operation, the predicted temperature and carbon monoxide concentration reduce as 300~400^oC and about 20%, respectively, compared to those without water-mist.

1. 서 론

화재는제어되지않는화학반응으로써 생성된열및 연소생성물에의해생명과재산피해를야기한다. 산업 사회의발달에따라에너지소비량증가와각종시설물 및기계장치의 대형화, 복잡다양한 내부재료의 사용 등으로인하여화재발생의위험요소가증가하고 있으 며실제로세계각국의화재피해상황은매우심각한 정도의증가추세를 보이고있다. ^화재의 ^소화^및^제어

장치로는스프링클러(sprinkler)와같은수계소화설비와

할론(halon) 계열의소화제등이널리사용되어왔다. 그

러나스프링클러는유류화재의소화에적합하지않고

대량의물을사용함에따라수손(water damage)과환경

오염의가능성이있다. 또한이를대체하기위해개발된

할론(halon) ^계열의^소화제^역시^{환경문제로}^인해^사용

이금지되거나제한되고있다.

워터미스트(water-mist) 소화설비는기존의소화설비 를보완또는대체하는새로운화제제어장치로써 국 내외적으로많은관심이 집중되고있다. 스프링클러는

약 1 mm 이상의액적들을화재에직접적으로작용하여

화염주변의온도를냉각시킴으로써화재를소화시킨다.

이에비해 워터미스트는수십에서수백 μm^의^크기를

갖는미세분무를이용한다. 화염원에직접작용되는냉

각효과(cooling effect)와증발및체적팽창으로야기되

는화염원주변의산소유입차단효과(inert effect)^를^통

해화재를제어한다. 스프링클러에비해약 10% 이하의 (2008년 9월 18일접수 ~ 2008년 9월 23일심사완료)

*중앙대학교기계공학부 BK21 연구교수

**중앙대학교기계공학부

†책임저자, 중앙대학교기계공학부

E-mail : [email protected]

TEL : (02)820-5280 FAX : (02)813-3669

(2)

물을소모하기때문에저장용량에 제한이있는선박,

항공기, 열차등수송시스템에대한적용성이높고, 수 손이나오염의우려가적어소화과정에서발생되는산 업설비의피해를최소화할수있으며, ^산소^차단^효과

에의한화재억제가가능하므로유류시설의방재시 스템으로매우효과적이다.

Ndubizu ^등⁽¹⁾^은^메탄 ^확산 ^화염에^대한 ^{워터미스트}

작동시화염부근의온도분포와농도분포파악한바

있고 Morita 등⁽²⁾은분무유량에따른화염온도및연

료 표면 온도 등을 측정하였다. USCG(United States

Coast Guard)에서는비교적큰화재공간인선박의기관

실을대상으로상용워터미스트시스템의 소화성능을

평가하였다⁽³⁾. 또한 Liu 등⁽⁴⁾은실제규모의화재공간

에대하여다양한화원과배기조건및분사조건에대 하여소화시간과연층의 온도분포등을파악하였다. Chow 등⁽⁵⁾과 Hua 등⁽⁶⁾은실제화재공간에대하여화염 과물분무의상호작용을수치해석을통해분석한바있 다. 국내에서는김명배등⁽⁷⁾이풀화재(pool fire)에대하 여소화에필요한유효분사유량을 제시하고화원의직 접냉각을위한분사유량의필요성을제시한바있으며 김성찬등⁽⁸⁾은워터미스트가작동하는밀폐공간의풀화 재에대한실험을통해초기급속냉각과후기점진냉 각으로연층의냉각과정을분류하였다.

본연구에서는산소의공급이제한되는 실내화재에 서워터미스트를이용한화재제어 특성을수치해석적 접근을통해분석하고있다. 화재해석에널리사용되는

FDS(Fire Dynamics Simulator) ^프로그램⁽⁹⁾^이^{사용되었으}

며최근에미표준과학연구소(NIST)에서수행된실내공 간화재결과⁽¹⁰⁾와의비교를통해해석모델링을검증하 고워터미스트작동에따른화재특성변화를비교하고 분석한다.

2. 수치해석 방법 및 해석조건

본연구에서는실내공간화재의해석을위해 NIST에 서개발되어화재 해석분야에서널리 사용되고있는

FDS를사용하였다. FDS의자세한내용은참고문헌⁽⁹⁾을 통해파악할수있기때문에여기서는간단한요약만을 제시하고자한다.

2.1 지배방정식

FDS^는^{화염원에서}^발생되는^연기와^열의^거동에^중

점을 두면서 저속의 열유동에 대한 나비어-^스톡스

(Navier-Stokes) 방정식을수치적으로푼다. 이방정식들

은공간에대해서는 2차오더의중심차분을, 시간에대 해서는 2^차^오더의^예측-^수정^방식을^이용하여^차분된

다. 연소과정과 복사열전달은각각혼합분율모델과 유한체적법에따라계산된다. 난류모델의경우 DNS와

LES^을^제공하고^있는데^본^{연구에서는} LES^을 Smagor-

insky의에디점성모델과함께사용하였다. 참고문헌⁽⁹⁾

에제시된지배방정식들은 LES 모델의관점에서다음 의방정식으로정리될수있다.

(1) (2)

(3)

(4)

여기서 는필터된밀도(filtered density), k는열전도계

수, Cp는정압비열, Dl은물질확산계수, 와 는각 각파브레-필터된(Favre-filtered) 속도와질량농도, 엔탈 피를나타낸다. ^또한 q^r은복사열유속, D/Dt는물질미 분, 는파브레-필터된생성항을나타낸다. 파브레-필 터된양은 와같이정의된다.

2.2 분무 모델

FDS에서 분사되는 초기 액적의 크기분포는 Rosin-

Rammler/log-normal 분포를 이용하여나타내며분포함

수는다음과같다.

(5)

여기서 γ는실험상수로써 2.4^를^{이용하였다}⁽⁹⁾. ^액적의

거동은라그란지안형태의지배방정식에의해해석된다. (6)

∂ρ∂t --- ^∂ρ^u˜_j

∂x_j --- + =m·_b^″′

ρ ∂u˜_i

∂t --- ^∂^u˜_iu˜_j

∂xj

---

⎝ + ⎠

⎛ ⎞ ∂p

∂xi

---

– ^ρg fi ∂τij

∂xj

--- + + +

=

∂ ρ₍ Y˜_l₎

∂t

--- ^{∂ ρ}₍ ^u˜_j_Y˜_l₎

∂xj

---

+ _∂^∂_x

---j(ρu_jY_l–ρu˜_jY˜_l)

–

=

∂∂xj

--- ρDl∂Yl

∂xj

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ w·_l

+ +

∂ ρ_{( )}h˜

∂t

--- ^∂₍^pu˜_jh˜₎

∂xj

---

+ ^Dp---_Dt _∂^∂_x ---j k^∂T˜

∂xj

---–qj^γ

⎝ ⎠

⎛ ⎞

+

=

∂∂x_j

--- ρDlh˜_l^∂^Y^l

∂x_j ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

∑l

+

ρ

u˜ Y˜_,_h˜

w·˜ⁱ

φ˜=_{ρφ ρ}_⁄

F d( )

12π

--- 1_{σ ′}---_d

0

∫d ^{exp ln}–---⁽^d₂^′_σ^⁄^d2^m⁾²

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞dd′ (dm<d)

×

1 exp 0.693– (– (d d⁄ m)^γ) (d d≤ m)

⎩⎪

⎪⎨

⎪⎪

⎧

=

dtd

----(mdud) mdg 1

2---^ρ^C^D^π^r^d²⁽û^d–û⁾ ûd–u –

=

(3)

(7) (8)

기상과 액적 사이의 열 및 물질전달에 관한 식은

Ranz^와 Marshell ^식을^{이용하였다}.

(9) (10) (11) (12) (13)

2.3 수치해석 조건

본연구에서는먼저 FDS ^화재^모델을^검증하고^산소

저공급실내화재의특성을파악하기위해 ISO 9705 표

준공간의 2/5 축소모형에서수행된화재실험⁽¹⁰⁾에대한

수치해석을수행한다. ^또한^{워터미스트} ^작동^조건에서

의수치해석을수행하여화재및유동특성과연소가 스농도 변화, 온도 변화 등을 비교하고분석하였다.

Fig. 1은축소모형의형상(0.95 m×0.98 m×1.42 m)을

나타내고있으며 Fig. 2^는^해석^격자의^모습(^약 100,000

개의격자)을보여주고있다.

본연구에서는 180 kW와 270 kW, 425 kW의 natural gas 화재와 150 kW와 245 kW, 340 kW의 heptane 화재 에대한해석을수행하였으며실험결과⁽¹⁰⁾와비교하였 다. 또한 270 kW의 natural gas 화재와 340 kW의 hep-

tane 화재에 대해서 워터미스트를작동에 대한해석을

수행하고화재특성변화를분석하였다. ^해석에^사용된

분무조건은일반적인 화재제어용 워터미스트노즐의 특성을모사할수있도록결정되었다. 해석에사용된분 사노즐은 250 ^μm^의^{평균직경과} 30^o^의^분사각, 20 m/s

의분사속도를 갖는워터미스트를생성한다. 워터미스 트노즐은축소모형의중앙천정에위치하며온도가 74

oC^에^이른^후에^{연속적으로}^분산된다.

3. 결과 및 고찰

3.1 산소저공급 실내 화재

산소저공급화재(underventilated fires)란실내공간에 서화재가발생한후일정시간이경과하여 공간내의 산소가충분하지않은상태에서유지되는화재를말한 다. 실제로대부분의실내화재는이러한저공급화재로 진행되는데이러한상태에서는불완전연소가계속진행 되어인체에치명적인일산화탄소(CO)뿐만아니라수트

(soot), 불연소탄화수소(unburned hydrocarbon), 이산화탄 소(CO²)^가^대량으로^발생함에^따라^심각한^{인명피해를} CD

24Re

--- Re^<1 24Re

--- 1 0.15( + Re^0.687) 1<Re<1000 0.44 1000<Re

⎩⎪

⎪⎨

⎪⎪

⎧

=

mdcpdTd

---dt hdAd(Tg–Td) dmd

---dt hv

+

= dmd

---dt =–πDdShρD Y⁽ d–Yg⁾

Sh=2 0.6+ Re^{1 2}^⁄ Sc^{1 3}^⁄ Nu=2 0.6+ Re^{1 2}^⁄ Pr^{1 3}^⁄

hd Nu K⋅

Dd

---

=

Fig. 1 Perspective views of the 40% reduced scale of ISO- 9705 Room including upper layer gas sampling probes and aspirated thermocouples.

Fig. 2 Computational domain of the 40% reduced scale of ISO-9705 Room.

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야기하게된다^(11,12). Fig. 3은 340 kW의 heptane 화재에 대한형상에대한사진및해석결과를보여주고있다.

실내로유입되는공기의양은 방과문의형상에의해 제한을받게되고필요한산소를얻기위해화염이외 부로나오는것을확인할수있다. 해석결과역시이러 한경향을잘보여준다. Fig. 4는 340 kW의 heptane 화 재에대한계산결과중에서전체발열량과상층부뒤

쪽위치(Fig. 1 참조)에서의온도및산소, 이산화탄소의

몰분율(mole fraction)을나타내고있다. 점화초기에산

소의급격한감소와이산화탄소의증가, ^발열량^및^온도

의급격한증가를볼수있다. 시간이경과함에따라일 정한범위에서진동하는것을볼수있으며 15 초이후 에준정상상태로판단할수있다. ^다른^화재^조건의^해

석결과들도 20 초이후에는모두준정상상태에이르 는것을확인할수있었다. 이를바탕으로모든해석결 과에대해서 20 초에서 40초까지의값을평균하여실험

값과비교하였다. Fig. 5는실내의상층부두지점에서 의온도를실험값과함께나타내었다. ^발열량이^증가함

에따라실내상층부의온도가증가하는경향을보이고 있으며해석결과역시같은경향을보여주고있다. 그

러나 natural gas ^화재의^뒤쪽^위치를^제외한^모든^위치

에서온도가약 100~200^oC 하향예측되고있음을알수

있다. 이것은화원의발열량조건에서기인한것을생각 된다. ^본^{연구에서는}^실험에서^측정된^발열량을^사용하

였는데이발열량은연소효율의영향이포함되어있으 므로화원에서소모되는연료발열량보다작게된다. 이 값을계산의화원조건으로사용하였기때문에화염온

도를하향예측하는것으로생각된다. natural gas 화재

의뒤쪽위치에서는해석결과가실험결과에비해상 향예측하고있다. 상층부의뒤쪽위치는화염이존재하

Fig. 3 Flame shape of the 340 kW heptane fire in the ventilation limited compartment.

Fig. 4 Prediction of mole fractions of O² and CO², temperature at the rear location, and heat release rate

for the 340 kW heptane fire. Fig. 5 Comparison between predictions and measure-

ments⁽¹⁰⁾ of the temperature vs. heat release rate at the upper layer of compartment.

(5)

지않는부분으로 이러한오차는복사 열전달의예측 성능에기인한것으로사료된다.

3.2 워터미스트의 영향

Figure 6^은 270 kW natural gas ^화재와 340 kW hep-

tane 화재에대해서워터미스트의작동유무에따른온

도분포변화를보여주고있다. 워터미스트는천정의설 치위치에서의온도가 74^oC^일^때^작동되며, ^본^계산에서

는 natural gas 화재의경우 10.8 초, heptane 화재의경

우 11.8초에작동되었다. 워터미스트가작동한후그효

과가측정위치까지이를때까지의 2~3 ^초가^경과한^이

후부터상층부의온도가급격히감소하는 것을볼수 있다. 전반적으로약 300~400^oC 정도감소하고있다. 상 층부온도의감소는화염원으로흡수되는복사열전달의 감소를의미하며화재의제어및소화에큰효과를줄

수있다. Fig. 7은실내상층부뒤쪽위치에서일산화탄

소(CO)와이산화탄소(CO²)의농도에대한계산결과를

보여주고있다. ^{일반적으로}^{일산화탄소는}^화재로^인명

피해의주요요인중하나로알려져있다. 특히공동주 거공간에서는한곳의화재에서발생한일산화탄소가 화염이전파되지않은다른공간에서의인명피해를발

생시킨경우도보고된바있다(13). ^온도의^경우와^같이

워터미스트작동의약 2~3 초후에 CO와 CO²의농도 가감소하는것을볼수있으며워터미스트가없는경

우에비해각각 20~30%^와 10% ^정도^감소하고^있다. ^이

러한연소가스농도의감소는주로미세액적의증발로 인한수증기(H²O)의증가로인한것이다. 또한부분적 으로는화염온도의감소로인한연소반응의변화가연 소생성물의양을변화를야기한것으로볼수있다.

4. 결 론

본연구에서는워터미스트작동하에서산소저공급실

Fig. 6 Temperature changes by water-mist operation at

rear and front location of upper layer. Fig. 7 Changes in mole fractions of CO and CO² by water-mist operation at rear location of upper layer.

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내화재(under-ventilated compartment fires)^의^거동^특성

변화를 파악하기 위한 수치해석 연구를 수행하였다.

ISO 9705 실내공간의 40% 축소모형에서수행된실내화

재실험⁽¹⁰⁾을대상으로 FDS ^해석^모델의^성능을^검증하

고워터미스트작동에따른상층부온도및연소생성 물농도변화에대한해석을수행하였다. 워터미스트의 작동에따라상층부의온도와일산화탄소등의연소생 성물농도가감소하는것을볼수있었다. 이것은각각 워터미스트에의한냉각효과와질식효과에의한것으로 생각된다. ^{워터미스트가}^제한된^공간^내의^화재에^적용

될수있음을해석적으로확인할수있었으나보다자세 한특성파악을위해서는이에대한실험적접근을포함 한체계적인연구가계속되어야할것으로사료된다.

후 기

이논문은 2006년정부(교육인적자원부)의재원으로

한국학술진흥재단의지원을 받아수행된연구임(KRF-

2006-214-D00016). ^이^논문은 2008^년도^{중앙대학교}^우

수연구자연구비지원에의한것임.

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