ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.1.012 (Received November 2, 2015; Revised November 3, 2015; Accepted November 3, 2015)
요 약
FDS를 사용한 환기부족 화재 시뮬레이션의 문제점을 재확인하고 FDS의 환기부족 화재 판단기준을 제시하기 위하여 ISO 9705 화재실 내 1000~3000 kW의 프로판 화재에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 화재규모가 2000 kW 이상일 때 1500 kW의 경우보다 온도가 낮게 예측됨을 확인하였다. FDS를 사용할 때 환기부족 화재에서는 화재규모가 증가해 도 산소부족으로 열방출률은 증가하지 않았다. 이에 따라 화재 시뮬레이션에 있어서의 환기부족 화재 판단기준으로 열 방출률이 사용될 수 있으며, ISO 9705 화재실에서는 화재규모가 1700 kW 이상일 때 환기부족 화재가 예측됨을 알 수 있었다.
ABSTRACT
Propane fires of 1000 to 3000 kW in the ISO 9705 fire room were simulated using FDS to study the problem of decreasing temperature with increasing fire size. A criterion is proposed for under-ventilated fires. The computed tempera- ture at 2000 kW and above was lower than that at 1500 kW. The heat release rate was limited by a lack of oxygen in the simulation. It was found that the heat release rate can therefore be a criterion for under-ventilated fires in simulations.
Fires of 1700 kW and above in the ISO 9705 fire room are predicted to be under-ventilated.
Keywords : Fire simulation, Fire size, Under-ventilated fire, Heat release rate, Temperature
1. 서 론
선박의 기관실과 칸막이 구조의 노래방뿐만 아니라 1~2 개의 출입문이 있는 실내에서도 공간의 크기와 급기량, 화 재규모에 따라 환기부족 화재가 될 수 있다. 연소에 필요 한 산소가 부족한 환기부족 화재에서는 가연성물질의 일 부가 미연소 가스 또는 증기 형태로 공간 내의 공기 중에 존재하게 된다. 환기부족 화재에 대한 Fire Dynamics Simulator(1)(이하 FDS)의 정확도 관련 연구가 수행된 바 있다. 작은 공간 내 51.71 kW 이하의 화재(2)에서는 온도와 유속, 중립면의 위치가 실험결과와 비교적 잘 일치하였다.
그러나 10 m × 3.6 m × 4.0 m 크기의 공간 내 16.9 MW의
화재(3,4)에서는 FDS의 정확도가 아주 낮은 것으로 나타났
다. 각각 FDS v3.1과 v5.5.3을 사용한 두 연구에서 실험결 과(5)에 비해 온도가 지나치게 낮게 예측되었다. 또한, 화재 규모가 증가하면 실내온도가 오히려 감소하였다. 이 결과
는 환기부족 화재의 시뮬레이션에 있어서 FDS의 문제점 으로 지적되었다. 한편, 0.8 m × 2 m인 출입문을 0.1 m × 2 m의 좁은 개구부로 축소한 ISO 9705 화재실(6) 내에서 열방출율이 최대 2 MW까지 선형적으로 증가하는 화재(7) 에서는 FDS가 온도 및 유속을 잘 예측하는 것으로 보고되 었다. 좁은 개구부를 고려할 때 2 MW의 화재는 환기부족 화재로 추정되므로, 이 결과는 두 선행연구(3,4)의 결과와 모순되는 것으로 보인다. 따라서 환기부족 화재의 시뮬레 이션에 대한 추가연구가 요구된다.
환기부족 화재에 대한 FDS의 낮은 정확도에도 불구하 고 구획화재 시뮬레이션에서 환기부족 여부를 검토한 연 구는 지금까지 보고된 바가 없다. 시뮬레이션 결과의 신뢰 성을 확보하기 위해 주어진 조건에서 환기부족 화재로 예 측되지 않은지 확인할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에 서는 동일 공간 내 여러 가지 화재규모에 대한 시뮬레이션 결과를 비교, 분석하였다. 본 연구의 목적은 선행연구에서 E-Mail: [email protected]
TEL: +82-51-629-6467, FAX: +82-51-629-7078
제기된 환기부족 화재 시뮬레이션의 문제점을 재확인하고 FDS의 환기부족 화재 판단기준을 제시하는 것이다.
2. 연구방법
연구의 대상으로 Mun & Hwang(7)과 같이 ISO 9705 화 재실(6)을 선정하였다. ISO 9705 화재실은 가연성물질의 열방출률 측정을 목적으로 한 3.6 m × 2.4 m × 2.4 m 크기 의 표준 화재실이다. 본 연구에서 좌표축과 측정점 및 출 입문의 위치는 Figure 1과 같다. 크기는 x방향 3.6 m, y방 향 2.4 m, z 방향 2.4 m이고, 폭 0.8 m, 높이 2 m의 출입문 이 있다. 화재실의 중앙 바닥에 0.8 m × 0.8 m 크기의 화원 이 있고, 1000~3000 kW의 화재규모에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 가연성물질은 선행연구(3-5)에서와 같이 프로 판 가스로 하였다. 온도 측정점 C의 좌표(단위 m)는 (1.8,1.2,2.3)으로, 화원의 중심 위, 천장에서 0.1 m 아래 지 점이다. 온도 및 x 방향 유속 측정점 D는 출입문 중심선상, 바닥에서 1.8 m 위에 위치하고, 좌표는 (3.6,1.2,1.8)이다.
입력한 화재규모에 따른 열방출률(heat release rate, HRR)을 확인하기 위해 시간에 대한 HRR의 변화를 조사 하였다. 온도와 유속, HRR이 약 40초 이후에 준정상상태 를 유지하므로 계산시간은 100초로 하고, 시간에 대한 평 균값은 60~100초에서의 순시값으로부터 구했다. 화재 시 뮬레이션에는 FDS의 최신 버전인 v6.2.0을 사용하였다.
수치법에 대한 상세한 내용은 참고문헌(8)에 기술되어 있으 므로 본 논문에서는 제시하지 않았다.
3. 결과 및 토론
격자를 선정하기 위하여 화재규모 1500 kW에 대하여 각각 격자크기 0.1 m × 0.1 m × 0.1 m와 0.2 m × 0.2 m × 0.1 m로 계산한 온도를 Figure 2에 비교하였다. 두 점 C와 D에서 각각 격자크기에 따른 온도변화의 차이가 크지 않
음을 알 수 있다. 발화 후 60~100초의 평균온도는 C에서 689oC와 690oC, D에서 542oC와 538oC로, 격자크기에 따른 차이가 매우 작았다. 이에 따라 본 연구에서는 작은 격자인 0.1 m × 0.1 m × 0.1 m, 즉 한 변의 길이가 0.1 m인 정방형 격자를 사용하였다.
조사대상 화재규모의 범위 1000~3000 kW에 대한 분석 결과, 환기부족 화재가 되는 화재규모는 1500 kW와 2000 kW 사이인 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에는 1500, 2000, 2500 kW의 세 가지 화재규모에 대한 결과를 제시하 였다.
Figure 3은 화재규모가 각각 1500, 2000, 2500 kW일 때 계산종료시간인 100초에서의 단위체적당 열방출률(heat release rate per unit volume, HRRPUV)을 나타낸 그림이 다. 화염의 형상과 유사한 HRRPUV는 출입문에서 유입되 는 공기에 의해 화재플룸(fire plume)과 다름을 보여주었 다. 1500 kW일 때 화염이 좌측벽으로 밀착되었다. 그러나 2000 kW에서는 화염이 공간 내에 흩어졌고, 2500 kW일 때는 화염이 격렬히 이동함을 볼 수 있었다. 이것은 1500 Figure 1. Computational domain for ISO 9705 fire room and
coordinates.
Figure 2. Comparison of temperature variation with time for grid sizes.
kW에서는 출입문을 통한 급기가 충분하지만, 2000 kW와 2500 kW에서는 산소 부족으로 미연소 가연성가스가 공기 중에 존재하기 때문이다. FDS를 사용한 화재 시뮬레이션 에서 화재규모가 2000 kW와 2500 kW일 때 환기부족 화 재로 예측되는 것은 다음에 제시할 온도 및 열방출률에서 도 확인된다.
Figure 1의 점 C에서의 온도변화를 Figure 4에 비교하였 다. 세 가지 화재규모에서 모두 화재발생 후 40초부터 온 도변화가 준정상상태를 유지하고 있다. 화재규모가 2000 kW와 2500 kW일 때의 온도가 1500 kW의 온도보다 낮다.
이것은 60~100초의 평균온도를 비교하면 더욱 분명해진 다. 즉 1500 kW일 때 평균온도가 689oC인데 비해 2000, 2500 kW의 경우에는 각각 662oC와 558oC이었다. 화재규
모가 큼에도 온도가 낮아진 것은 앞의 Figure 3에 나타난 환기부족 화재로 예측되었기 때문이다. 화재규모에 따른 평균온도의 감소는 Figure 7에 제시하였다. 이와 같이 환 기부족 화재의 경우에 화재규모가 클수록 온도가 감소하 는 것은 선행연구(3,4)에서도 나타난 결과이며, 따라서 FDS v6.2.0에서도 같은 문제점이 있음이 확인되었다.
Figure 5는 점 D에서의 온도변화를 비교한 그림이다. 화 재규모 1500, 2000, 2500 kW일 때 60~100초의 평균온도 는 각각 542, 526, 501oC이다. 점 C에 비해 온도 감소폭 은 작지만 점 D에서도 화재규모가 클수록 평균온도가 감 소하였다.
Figure 6은 Figure 1의 점 D에서의 x 방향 유속의 변화 를 비교한 그림이다. 온도와 달리 유속은 화재규모가 증가 해도 크게 달라지지 않았다. 유속은 온도만큼 화재규모에 민감하지 않은 것으로 나타났다.
Figure 7에는 화재규모 1500, 2000, 2500 kW에 대하여 Figure 3. Comparison of HRRPUV at t = 100 s for different
fire sizes.
Figure 5. Comparison of temperature variation with time at D for fire sizes.
Figure 4. Comparison of temperature variation with time at C for fire sizes.
점 C와 D에서 화재발생 후 60~100초의 평균온도를 비교 하였다. 화재규모가 2000, 2500 kW로 증가하면 온도가 감 소함을 알 수 있다. 화재규모 증가에 따라 평균온도가 증 가세에서 감소세로 바뀌므로, FDS의 환기부족 화재가 되 는 최소화재규모는 1500~2000 kW 사이의 값임을 유추할
Figure 6. Comparison of x-direction velocity variation with time at D for fire sizes.
Figure 7. Comparison of time-averaged temperature for fire sizes.
Figure 8. Comparison of heat release rate outputs for differ- ent fire sizes.
수 있다.
FDS를 사용한 화재 시뮬레이션에서 환기부족 화재가 되 는 최소 화재규모를 찾기 위하여 Figure 8에 화재규모별 열방출률을 비교하였다. 여기서 화재규모는 FDS 입력파
다. Figure 8(a)와 같이 화재규모와 동일한 열방출률이 유 지되면 환기부족상태가 아니며, (b) 및 (c)와 같이 화재규 모보다 열방출률이 낮아지면 환기부족 화재가 된다. 그러 므로 FDS를 사용한 화재 시뮬레이션에서 열방출률이 환 기부족 화재의 판단기준이 될 수 있음을 알 수 있다. 환기 부족 화재 여부는 화재 시뮬레이션의 출력값 중에서 간단 히 열방출률을 확인하면 된다.
열방출률에 의해 판단된 환기부족 화재는 실제 환기부 족 화재가 아니라 FDS를 사용한 화재 시뮬레이션에 있어 서의 환기부족 화재이다. 환기부족 화재에서는 온도와 가 스농도 등이 실제보다 훨씬 낮게 예측되므로, 열방출률이 입력 화재규모와 같은 값인가를 확인할 필요가 있다.
4. 결 론
FDS의 환기부족 화재 시뮬레이션에 나타난 문제점을 재 확인하고 환기부족 화재의 판단기준을 제시하기 위하여 ISO 9705 화재실 내 1000~3000 kW의 프로판 화재에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 화재규모가 2000 kW 이상일 때 화재규모 1500 kW 의 경우보다 온도가 더 낮게 예측되었다. 이로써 환기부족 화재의 경우에 화재규모가 클수록 온도가 감소하는 문제 점을 재확인하였다.
(2) 환기부족 화재의 경우 화재규모가 증가해도 산소부 족으로 열방출률은 증가하지 않았다.
(3) 환기부족으로 예측된 화재에서는 열방출률이 입력 화재규모보다 낮으므로, 열방출률이 FDS의 환기부족 화 재 판단기준으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
(4) 이 기준에 따라 ISO 9705 화재실에서는 화재규모가
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