수직 개구부로 연결된 2개의 구획실에서 화원 조건이 개구부 유동 속도 및 고온 가스층 특성에 미치는 영향

Effects of Fire Source Conditions on Vent Flow Velocity and Hot Gas Layer Characteristics in Two Rooms Connected by Vertical Opening

Article information

Fire Sci. Eng.. 2023;37(4):1-10

Publication date (electronic) : 2023 August 31

doi : https://doi.org/10.7731/KIFSE.a34b1647

Yun Young Kim , Chi Young Lee ^*^,^**^,

김윤영, 이치영^*^,^**^,

부경대학교 건축⋅소방공학부 대학원생

Graduate Student, Division of Architectural and Fire Protection Engineering, Pukyong National University

* 부경대학교 건축⋅소방공학부 교수

* Professor, Division of Architectural and Fire Protection Engineering, Pukyong National University

** 부경대학교 소방공학과 교수

** Professor, Department of Fire Protection Engineering, Pukyong National University

^† Corresponding Author, TEL: +82-51-629-6493, FAX: +82-51-629-7078, E-Mail: cylee@pknu.ac.kr

Received 2023 June 15; Revised 2023 July 11; Accepted 2023 July 11.

Abstract

본 연구에서는 수직 개구부(VO-I)로 연결된 2개의 공간(ROOM-I, ROOM-II)에서 화원 조건이 개구부 유동 속도 및 고온 가스층 특성에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. 2개의 공간 중 ROOM-II에는 외부와 연결된 수직 개구부(VO-II)가 추가적으로 설치되어 있다. ROOM-I과 ROOM-II의 중앙에 화원을 각각 위치시켰고, 열방출률은 1.32, 3.32, 5.21 kW로 변화시켰다. 개구부 유동 속도의 경우, ROOM-I에 화원이 위치할 때 VO-I과 VO-II, ROOM-II에 화원이 위치할 때 VO-II의 상부에서는 고온의 가스 유출, 하부에서는 저온의 공기 유입이 나타났다. 반면, ROOM-II에 화원이 위치할 때 VO-I의 상부를 통해 ROOM-I으로 유출된 고온의 가스가 ROOM-II로 재유입되는 유동이 관찰되었다. 또한, 화재실과 인접실 내 고온 가스층 두께 및 온도 상승을 비교하였다. 화재실의 경우, 화원이 ROOM-I에 위치하는 경우가 ROOM-II에 위치하는 경우에 비해 고온 가스층의 두께가 더 두꺼웠고 고온 가스층의 온도 상승이 더 높은 것으로 나타났다. 인접실의 경우, 화원이 ROOM-I에 위치하는 경우가 ROOM-II에 위치하는 경우에 비해 고온 가스층의 두께가 더 얇았고 고온 가스층의 온도 상승이 더 높은 것으로 나타났다. 한편, 열방출률에 대한 고온 가스층 온도 상승의 의존성이 고온 가스층 두께에 비해 더 큰 것으로 나타났다.

Trans Abstract

In this study, the effects of fire source conditions on the vent flow velocity and hot gas layer characteristics in two rooms (ROOM-I and ROOM-II) connected by a vertical opening (VO-I) were investigated experimentally. In ROOM-II, the vertical opening (VO-II) connected to the outside was installed. The fire sources were located at the centers of ROOM-I and ROOM-II, and the heat release rates were 1.32, 3.32, and 5.21 kW. Regarding the vent flow velocity, when the fire source was located in ROOM-I, the outflow of the hot gas and inflow of cold air occurred in the upper and lower parts of VO-I and VO-II, respectively, which were the same as those of VO-II when the fire source was located in ROOM-II. However, when the fire source was located in ROOM-II, the hot gas in the upper part of VO-I flowed out to ROOM-I and flowed again into ROOM-II. Additionally, the hot gas layer thickness and temperature rise in the fire and adjacent rooms were compared. In the fire room, the case where the fire source was placed in ROOM-I showed a thicker hot gas layer and a higher hot gas layer temperature rise than the case where the fire source was placed in ROOM-II. In the adjacent room, the case where the fire source was placed in ROOM-I showed a thinner hot gas layer and a higher hot gas layer temperature rise than the case where the fire source was placed in ROOM-II. The dependence of the hot gas layer temperature rise on the heat release rate was higher than that of the hot gas layer thickness.

Keywords: Fire room; Adjacent room; Vertical opening; Vent flow velocity; Hot gas layer characteristics

1. 서 론

구획실에 존재하는 개구부는 구획실 내 화재 현상에 영향을 미치는 중요한 인자 중 하나이다. 개구부를 통과하는 유동의 속도 및 질량 유량은 구획실 내부 온도 분포, 고온 가스층(gas layer) 두께 및 온도 상승과 밀접한 연관이 있으며, 이에 대한 연구는 구획실 화재 시 재실자의 안전 및 건축물의 화재 안전성을 예측하는데 중요한 정보를 제공한다.

구획실 화재 현상에 대한 기존 연구에서는 주로 단일 구획실을 대상으로 연구가 이루어졌다. 개구부 조건으로 단일 구획실에 수직 개구부가 설치된 구조(1,2), 수평 개구부가 설치된 구조(3-8), 수직 개구부와 수평 개구부가 동시에 설치된 구조(9-11) 등에 대한 연구가 수행되었다. 이에 대한 일부 기존 연구를 간략하게 정리하였다. 단일 구획실에 수직 개구부가 설치된 경우, Mun 등(1)은 수직 개구부 형상과 위치 조건에 따른 온도, 속도, 열유속, 중성대 높이, 화재 지속 시간을 검토하였다. McCaffery 등(2)은 고온 가스층 온도에 영향을 미치는 다양한 인자에 대한 결과를 토대로 구획실 온도 및 플래시오버(flashover) 발생 가능성 예측을 위한 상관식을 제시하였다. 단일 구획실에 수평 개구부가 설치된 경우, Chen 등(3)과 Li 등(4)은 화원이 수평 개구부 바로 아래에 위치하였을 때, Yuan 등(5)과 Li 등(6)은 수평 개구부로부터 화원이 멀리 떨어진 곳에 위치하였을 때 구획실 내 화재 현상을 관찰하였다. Park과 Lee(7)는 화원 위치 및 수평 개구부 면적이 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향을 전산시뮬레이션(numerical simulation)을 이용하여 검토하였다. 화원이 바닥의 중앙(수평 개구부 바로 아래)에 위치한 경우와 측면(수평 개구부와 멀리 떨어진 곳)에 위치한 경우에 대해 온도 분포, 수평 개구부를 통과하는 유동의 속도 및 질량 유량 결과를 비교하였다. 전산시뮬레이션 결과, 수평 개구부 면적이 크고 화원이 중앙에 위치한 경우가 그렇지 않은 경우보다 온도 분포는 낮고 수평 개구부를 통과하는 질량 유량은 많은 것으로 나타났으며, 유동의 속도 불균일성이 큰 것으로 보고하였다. Park과 Lee(8)는 천장에 2개의 수평 개구부가 설치된 구획실에 대하여 전산시뮬레이션을 수행하였다. 연구를 통해 수평 개구부의 덕트(duct) 높이 및 화원의 위치가 수평 개구부를 통과하는 질량 유량 및 유동 양식, 구획실 내 온도 분포에 미치는 영향을 평가하였다. 단일 구획실에 수직 개구부와 수평 개구부가 동시에 설치된 연구의 경우, Merci와 Vandevelde(9)는 수평 개구부와 수직 개구부가 동시에 설치된 축소 모형 구획실에서 실험을 수행하였으며, 화원 조건(열방출률 크기, 화원의 면적) 및 수평 개구부의 크기가 고온 가스층 평균 온도 상승, 고온 가스층 두께, 온도 변화에 미치는 영향을 분석하였다. Merci와 Van Maele(10)는 수평 개구부와 수직 개구부가 동시에 설치된 축소 모형 구획실에서 전산시뮬레이션을 수행하였고, 기존의 실험적 연구(9)와 전산시뮬레이션 결과를 비교하였다. Park 등(11)은 측면 개구부와 천장 개구부가 동시에 설치된 구획실에서 천장 개구부 위치가 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향에 대하여 전산시뮬레이션을 수행하였다. 천장 개구부 위치가 개구부 유동의 속도 분포, 질량 유량, 구획실 내 온도에 영향을 미친다고 보고하였고, 수직 개구부를 통과하는 유입 유동에 의한 화재 플룸(fire plume)의 기울어짐이 중요한 인자임을 언급하였다. 기존 연구 동향 검토 결과, 단일 구획실을 대상으로 한 연구에서는 다양한 개구부 조건에서 비교적 활발한 연구가 수행되었음을 확인할 수 있었다.

한편, 수직 개구부로 연결된 2개의 구획실의 화재 현상에 대한 연구가 일부 수행되었다. 이때, 2개의 구획실 중 1개의 구획실에는 외부와 연결된 추가적인 수직 개구부가 설치되어 있는 조건(즉, 2개의 수직 개구부가 설치되어 있는 조건)이었다. Nakaya 등(12)은 수직 개구부를 통해 연결된 2개의 구획실에서 화원 크기 및 수직 개구부 크기 조건에 따른 실험을 수행하였다. Chow와 Zou(13)는 Nakaya 등(12)의 연구를 바탕으로 전산시뮬레이션을 수행하였다. Nakaya 등(12)과 Chow와 Zou(13)는 실험 및 전산시뮬레이션 결과를 토대로 2개의 구획실을 연결하는 수직 개구부의 환기 계수와 질량 유량 간의 상관관계를 도출하였다. Johansson과 Van Hees(14)는 열방출률, 구획실 크기, 개구부 크기(높이 및 너비), 구획실 벽면 재질을 변경하여 전산시뮬레이션을 수행하였고, 전산시뮬레이션 결과를 토대로 인접실 내 고온 가스층 온도 상관식을 제시하였다. Johansson 등(15)은 화재실과 인접실 내 고온 가스층 온도 예측을 위해 Johansson과 Van Hees(14)가 제시한 상관식과 에너지 평형 방정식을 토대로 도출한 상관식을 실험 결과와 비교하고 검토하였다. 이와 같이 수직 개구부로 연결된 2개의 구획실 내 화재 현상에 대한 연구는 단일 구획실 화재에 대한 연구에 비해 매우 제한적으로 수행되었다. 또한 기존의 연구(12-15)에서는 2개의 구획실 중 1개의 구획실(1개의 수직 개구부가 설치되어 있는 구획실) 내에 화원이 위치하는 경우에 대해서만 연구가 수행되었다. 즉, 2개의 수직 개구부가 설치되어 있는 구획실 내에 화원이 위치한 경우에 대한 연구는 수행되지 않았다. 하지만 2개의 구획실 모두 화재가 발생할 가능성이 있고, 이 경우 각 구획실에서 화재 발생 시 화재가 발생한 화재실과 화재실과 연결된 인접실에서의 고온 가스층 두께와 온도 상승, 각 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포에 대한 체계적인 검토가 수행될 필요가 있다. 해당 연구를 통해 도출된 결과는 수직 개구부로 연결된 2개의 구획실의 화재 현상을 이해하고 예측하는데 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

본 연구에서는 수직 개구부로 연결된 2개의 구획실에서 화원 조건(열방출률 크기 및 화원 위치)이 개구부 유동 속도 및 고온 가스층 특성에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. 2개의 구획실 중 1개의 구획실에는 외부와 연결된 수직 개구부가 추가적으로 설치되어 있다. 각 구획실 중앙에 화원이 위치할 때 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포, 화재실과 인접실 내부 온도 분포, 고온 가스층 두께와 온도 상승을 측정하고 분석하였다.

2. 실험 방법 및 조건

2.1 실험 방법

Figure 1에 본 연구에서 대상으로 하고 있는 수직 개구부로 연결된 2개의 구획실의 형상과 온도 및 속도 측정 위치를 나타내었다. ROOM-I과 ROOM-II는 수직 개구부(vertical opening -I, VO-I)에 의해 연결되어 있고, ROOM-II는 또 다른 수직 개구부(VO-II)에 의해 외부와 연결되어 있다. ROOM-I의 크기는 1065 mm (너비) × 1000 mm (폭) × 1100 mm (높이)이고, ROOM-II의 크기는 975 mm (너비) × 1000 mm (폭) × 1100 mm (높이)이다. 수직 개구부 VO-I과 VO-II의 크기는 330 mm (폭) × 825 mm (높이)로 동일하다. 구획실 벽면은 가시화를 위한 5 mm 두께의 PC판(polycarbonate plate)과 5 mm 두께의 알루미늄판(aluminum plate)으로 구성되었다.

Figure 1

Schematic of two rooms connected by vertical opening with temperature and velocity measurement locations.

한편, Figure 1에 나타낸 바와 같이 구획실 내부 온도 분포 측정을 위해 총 4개의 열전대 트리(thermocouple tree)를 설치하였다. 열전대로 직경 1.5875 mm (1/16 in)인 K-type 열전대를 이용하였다. TC1과 TC3은 ROOM-I 내부 온도 측정 위치이며, TC2와 TC4는 ROOM-II 내부 온도 측정 위치이다. TC1∼TC4 모든 열전대에서 구획실 바닥으로부터 높이 방향으로 16개의 열전대를 설치하였다. 즉, 바닥으로부터 200 mm 위치에 1개, 300 mm 위치로부터 50 mm 간격으로 1000 mm 위치까지 15개의 열전대를 설치하였다. 따라서 총 64지점에서 구획실 내부 온도를 측정하였다. 개구부 유동 속도는 개구부 높이 방향으로 중심축을 따라 측정되었다. 바닥으로부터 높이가 92 mm인 지점(V₁)에서부터 높이가 732 mm인 지점(V₉)까지 80 mm 간격으로 총 9지점(V₁∼V₉)에서 속도를 측정하였다. 한편, VO-I과 VO-II에서의 개구부 유동 속도 측정 위치는 동일하다.

Figures 2(a)와 2(b)에 각각 실험 장치의 개략도와 사진을 나타내었다. 열전대로부터 측정된 온도는 데이터 수집 장치(data acquisition system)를 통해 노트북(notebook)에 저장되었다. 수직 개구부 VO-I과 VO-II를 통과하는 유동 속도를 측정하기 위하여 열선유속계와 z축 방향 자동 이송 장치를 이용하였고, 열선유속계를 이용하여 측정된 속도는 데이터 수집 장치를 통해 노트북에 저장되었다.

Figure 2

Experimental setup.

2.2 실험 조건

화원의 연료는 메탄올(methanol)을 사용하였으며, 3가지 열방출률 조건에 대한 실험을 수행하였다. 열방출률을 변화시키기 위해 3종류의 직경이 다른 유리 재질의 원형 연료팬(round fuel pan)을 사용하였고, 식(1)을 이용하여 열방출률을 도출하였다.

(1)Q˙=W˙×Hc

여기서 Q˙은 열방출률, W˙은 질량 손실률을 의미하고 H_c는 메탄올의 연소열로 19.83 kJ/g(16)을 적용하였다. 본 연구에서는 질량 손실률을 도출하기 위해 실험 시간(t) 동안 감소된 연료량(∆W)을 측정하였고, 식(2)를 이용하였다.

(2)W˙=ΔW/t

온도 분포 측정 실험은 2400 s, 속도 분포 측정 실험은 3040 s 동안 수행되었고, 반복 실험을 통해 도출된 질량 손실률을 토대로 열방출률을 계산한 결과, 3종류의 직경이 다른 연료팬에 대한 평균 열방출률은 각각 1.32 (±0.05), 3.32 (±0.04), 5.21 (±0.01) kW로 평가되었다.

Table 1에 본 연구의 실험 조건을 정리하였다. 열방출률은 총 3조건이고, 각 열방출률 조건에서 ROOM-I과 ROOM-II에 화원이 위치하는 조건에 대해 실험을 수행하였다. 화원은 각 구획실의 바닥 중앙에 위치시켰다. 한편, 본 논문에서 사용한 명명법은 다음과 같다. 열방출률은 HRR로 표기하였으며, 열방출률이 1.32, 3.32, 5.21 kW인 조건을 각각 HRR-1.32, HRR -3.32, HRR-5.21로 명명하였다. 화원이 ROOM-I에 위치한 경우를 ROOM-I-F, 화원이 ROOM-II에 위치한 경우를 ROOM -II-F로 명명하였다.

Table 1

Experimental Conditions

3. 실험 결과 및 분석

3.1 수직 개구부 유동의 속도 분포

ROOM-I-F의 경우에 대해, VO-I과 VO-II에서의 개구부 유동 속도 분포 측정 결과를 Figures 3(a)와 3(b)에 각각 나타내었다. 개구부 유동 속도 분포의 경우 2번의 반복 실험을 수행하였다. 시간에 따른 속도 측정 결과에서 정상 상태 구간 내 실험 결과의 평균값을 나타내었고, 오차 막대(error bar)는 반복 실험에 대한 표준편차를 의미한다. 본 연구에서는 정상 상태라고 판단한 시간 구간 중 속도의 경우 20 s 내의 측정 결과를 이용하였다. 정상 상태에 대한 정량적 평가를 위해 해당 시간 범위 내 전체 측정점에서의 상대 표준 편차(relative standard deviation, RSD (%)=σ/x˜×100)의 평균을 계산하였고, 속도 측정 결과의 경우 약 3.1%로 나타났다. 여기서, σ와 x̃는 각각 시간에 따른 표준 편차와 평균을 의미한다. 또한, 본 연구에서 이용한 열선유속계의 속도 측정 가능 범위를 확인하여, 측정이 불가능한 범위인 -0.06∼0.06 m/s 구간을 Figures 3(a)와 3(b)에 표시하였다. Figure 3(a)에 나타낸 바와 같이, VO-I 상부 구간에서는 인접실인 ROOM-II로의 유출 유동, 하부 구간에서는 화재실인 ROOM-I으로의 유입 유동이 발생하였다. 한편, Figure 3(b)에 나타낸 바와 같이, VO-II 상부 구간에서는 외부로의 유출 유동, 하부 구간에서는 인접실인 ROOM-II로의 유입 유동이 발생하였다. 즉, VO-I과 VO-II 모두, 상부 및 하부 구간에서 각각 유출 및 유입 유동이 관찰되었다. 한편, 열방출률이 증가함에 따라 개구부 유동의 유출 및 유입 속도가 증가하는 경향이 나타났다.

Figure 3

Velocity distributions through VO-I and VO-II for ROOM-I-F.

ROOM-II-F의 경우에 대해, VO-I과 VO-II에서의 개구부 유동 속도 분포 측정 결과를 Figures 4(a)와 4(b)에 각각 나타내었다. Figure 4(a)에 나타낸 바와 같이, VO-I에서의 측정 위치가 약 652 mm 보다 높은 구간에서는 화재실인 ROOM-II에서 인접실인 ROOM-I으로의 유출 유동이 관찰되었다. 측정 위치가 약 492∼572 mm 구간에서는 인접실인 ROOM-I에서 화재실인 ROOM-II로의 유입 유동이 나타났는데 이는 화재실인 ROOM-II에서 인접실인 ROOM-I으로 유출된 유동이 화재실인 ROOM-II로 재유입되기 때문으로 판단된다. 또한, 측정 위치가 412 mm보다 낮은 구간에서는 속도를 측정할 수 없는 매우 약한 유동이 관찰되었다. 한편, Figure 4(b)에 나타낸 바와 같이, VO-II 상부 구간에서는 화재실인 ROOM-II에서 외부로의 유출 유동, 하부 구간에서는 외부에서 화재실인 ROOM-II로의 유입 유동이 발생하였다. 열방출률이 증가함에 따라 개구부 유동의 유출 및 유입 속도가 증가하는 경향은 Figure 3과 동일하였다.

Figure 4

Velocity distributions through VO-I and VO-II for ROOM-II-F.

3.2 구획실 내부 온도 분포

Figure 5에 TC1∼TC4에서 측정한 구획실 내부 온도 분포 측정 결과를 나타내었다. ROOM-I-F와 ROOM-II-F의 경우에 대해, 화재실과 인접실에서 측정한 온도 분포 결과를 Figures 5(a)와 5(b)에 각각 구분하여 나타내었다. 온도 분포 측정을 위해 8번의 반복 실험을 수행하였다. 시간에 따른 온도 측정 결과에서 정상 상태 구간 내 실험 결과의 평균값을 이용하였고, 오차 막대는 반복 실험에 대한 표준편차를 의미한다. 본 연구에서는 정상 상태라고 판단한 시간 구간 중 온도의 경우 120 s 내의 측정 결과를 이용하였다. 해당 시간 범위 내 전체 측정점에서의 온도 측정 결과에 대한 상대 표준 편차의 평균은 약 0.6%로 나타났다. 모든 경우에서 열방출률이 증가함에 따라 온도 분포가 증가함을 확인할 수 있었다. 화재실과 인접실 모두 ROOM-I-F (화재실은 TC1과 TC3, 인접실은 TC2와 TC4)의 경우가 ROOM-II-F (화재실은 TC2와 TC4, 인접실은 TC1과 TC3)의 경우보다 구획실 내부 온도 분포가 높게 나타났다.

Figure 5

Temperature distributions in fire and adjacent rooms for ROOM-I-F and ROOM-II-F.

3.3 고온 가스층 두께와 온도 상승

본 연구에서는 TC1∼TC4에서 측정한 온도 분포 결과로부터 고온 가스층 두께와 온도 상승을 도출하였다. Figure 5에 나타낸 온도 분포 측정 결과와 식(3)∼식(5)(17,18)를 이용하여 고온 가스층 경계면 높이를 계산하였다.

(3)∫0HT(z)dz=(H−zi)Tu+ziTl=I1

(4)∫0H1T(z)dz=(H−zi)/Tu+ziTl=I2

(5)zi=Tl(I1I2−H2)I1+I2Tl2−2TlH

여기서, z_i, T_l, T_u, H는 각각 고온 가스층 경계면 높이, 저온의 하부층 온도, 고온의 상부층 온도, 구획실 높이를 의미한다. 고온 가스층 두께(δ)는 구획실 높이와 고온의 가스층 경계면 높이의 차이로 정의되고, 이에 대한 관계를 식(6)에 나타내었다.

(6)δ=H−zi

Figures 6(a)와 6(b)에 각각 화재실과 인접실에서 측정한 고온 가스층 두께 결과를 나타내었다. ROOM-I의 경우 TC1과 TC3, ROOM-II의 경우 TC2와 TC4에서 도출한 고온 가스층 두께 측정 결과를 평균하여 나타내었고, 이에 대한 표준편차를 오차 막대로 표시하였다. 화재실과 인접실 모두, 열방출률이 증가함에 따라 고온 가스층 두께가 두꺼워졌다. 화재실의 경우 ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우에 비해 고온 가스층 두께가 두꺼웠지만, 인접실의 경우 ROOM-II-F의 경우가 ROOM-I-F의 경우에 비해 고온 가스층의 두께가 두꺼웠다.

Figure 6

Hot gas layer thicknesses in fire and adjacent rooms for ROOM-I-F and ROOM-II-F.

Figures 7(a)와 7(b)에 각각 화재실과 인접실에서 측정한 고온 가스층 온도 상승 결과를 나타내었다. 이때 고온 가스층 온도는 고온 가스층 두께 내에서 측정된 온도 분포 결과의 평균값으로 정의하였다. 고온 가스층 온도 상승(ΔTg=Tg−Tamb)은 고온 가스층 온도(T_g)와 대기 온도(T_amb) 간의 차이를 의미한다. Figure 6과 동일하게 ROOM-I의 경우 TC1과 TC3, ROOM-II의 경우 TC2와 TC4에서 도출한 고온 가스층 온도 상승 측정 결과를 평균하여 나타내었고, 오차 막대를 이용하여 이에 대한 표준편차를 표시하였다. 화재실과 인접실 모두, 열방출률이 증가함에 따라 고온 가스층 온도가 상승하는 경향이 관찰되었고, ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우에 비해 고온 가스층 온도 상승이 높은 것으로 나타났다.

Figure 7

Hot gas layer temperature rises in fire and adjacent rooms for ROOM-I-F and ROOM-II-F.

Figures 6과 7을 토대로 판단할 때, 화재실의 경우, ROOM- I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우보다 고온 가스층 두께가 더 두껍고(Figure 6(a)), 고온 가스층 온도 상승이 더 높은(Figure 7(a)) 것으로 나타났다. 이러한 경향이 나타난 이유는 ROOM-I-F의 경우 VO-I 상부(Figure 3(a))를 통해 고온의 가스가 유출되는 반면, ROOM-II-F의 경우 VO-I (Figure 4(a))과 VO-II (Figure 4(b)) 상부를 통해 고온의 가스가 유출되고, 이 경우 화재실에서 유출되는 질량 유량이 ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우보다 적기 때문으로 판단된다. 한편, 인접실의 경우, ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우보다 고온 가스층 온도 상승이 더 높은(Figure 7(b)) 것으로 측정되었다. 이러한 경향이 나타난 이유는 인접실의 고온 가스층 온도 상승은 화재실에서 유출되는 고온 가스층의 온도에 지대한 영향을 받게 되는데 Figure 7(a)에 나타낸 바와 같이 ROOM-I-F의 경우가 ROOM -II-F의 경우에 비해 화재실 내 고온 가스층의 온도가 더 높기 때문으로 생각된다. 반면, 인접실의 고온 가스층 두께는 ROOM -II-F의 경우가 ROOM-I-F의 경우에 비해 더 두꺼운(Figure 6(b)) 것으로 나타났는데, ROOM-II-F의 경우 화재실인 ROOM-II에서 인접실인 ROOM-I으로 이동한 유동이 화재실인 ROOM-II로 재유입되는 현상(Figure 4(a)) 때문으로 판단된다.

3.4 열방출률에 대한 고온 가스층 두께와 온도 상승의 의존성

열방출률에 대한 고온 가스층 두께와 온도 상승의 의존성을 확인하기 위해 식(7)과 식(8)에 나타낸 관계와 실험 결과를 이용하여 지수 a와 b를 도출하였고, 이를 Figures 8과 9에 점선으로 나타내었다. 또한 도출한 지수 a와 b를 Table 2에 정리하여 나타내었다.

Figure 8

Dependence of hot gas layer thickness on HRR.

Figure 9

Dependence of hot gas layer temperature rise on HRR.

Table 2

Exponents of a and b in Eqs. (7) and (8)

(7)δ∼Q˙a

(8)ΔTg∼Q˙b

Figures 8과 9, Table 2에 나타낸 바와 같이 지수 a의 값은 약 0.031∼0.046으로 나타났고, 지수 b의 값은 약 0.75∼0.78로 나타났다. 즉, 지수 b의 값이 지수 a의 값에 비해 큰 것으로 나타났고, 이는 열방출률에 대한 고온 가스층 온도 상승의 의존성이 고온 가스층 두께보다 크다는 것을 의미한다.

본 연구에서는 기존 연구에서 미흡하게 수행되었던 수직 개구부로 연결된 2개의 구획실 내 화재 현상에 대해 다양한 조건의 실험을 수행하여 해당 화재 현상을 이해하는데 필요한 유용한 정보를 제공하고 있다. 또한 본 실험 결과는 전산시뮬레이션의 신뢰성을 확인하는 데에도 활용될 수 있다. 하지만 본 연구에서는 실험 장치를 구성하는 PC판, 속도 측정을 위한 열선유속계의 작동 온도 범위의 한계 등으로 인해 비교적 낮은 열방출률 조건에서 실험이 수행되었다. 실제 화재 분야의 적용을 고려할 때 추후 높은 열방출률 조건에서 연구가 수행될 필요가 있다고 판단된다. 또한 보다 상세한 화재 현상 분석을 위해서는 구획실 전체에 대한 유동 속도 분포, 개구부 유동의 질량 유량 등과 같은 결과가 추가적으로 확보되어야 할 것으로 생각된다.

4. 결 론

수직 개구부로 연결된 2개의 구획실(ROOM-I과 ROOM-II)에서 화원 조건(열방출률 크기 및 화원 위치)이 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험을 수행하였다. 수직 개구부(VO-I과 VO-II) 별로 개구부 유동의 속도를 측정하였고, 화원의 위치(ROOM-I-F와 ROOM-II-F)에 따라 화재실과 인접실 내에서의 구획실 내부 온도 분포, 고온 가스층 두께와 온도 상승을 검토하였다. 또한, 열방출률에 대한 고온 가스층 두께와 온도 상승의 의존성을 검토하였다. 본 연구에서 도출한 주요 연구 결과를 아래에 정리하였다.

(1) ROOM-I-F의 경우 VO-I과 VO-II, ROOM-II-F의 경우 VO-II의 상부에서는 유출 유동, 하부에서는 유입 유동이 발생하였다. 반면 ROOM-II-F의 경우 VO-I에서는, 상부에서 하부쪽으로 측정 위치가 이동함에 따라 화재실인 ROOM-II에서 인접실인 ROOM-I으로의 유출 유동, 인접실인 ROOM-I에서 화재실인 ROOM-II로의 유입 유동, 그리고 매우 약한 유동이 관찰되었다. 이와 같이 복잡한 유동이 나타나는 이유는 화재실인 ROOM-II에서 인접실인 ROOM-I으로 유출된 유동이 화재실인 ROOM-II로 재유입되기 때문으로 판단된다. 한편, 열방출률이 증가함에 따라 개구부 유동의 속도는 증가하였다.
(2) 화재실의 경우, ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우보다 구획실 내부 온도 분포가 더 높았고, 고온 가스층이 더 두껍게 나타났으며, 고온 가스층 온도 상승이 높은 것으로 나타났다. 이는 ROOM-I-F의 화재실에서 유출되는 질량 유량이 ROOM-II-F의 화재실에서 유출되는 질량 유량에 비해 적기 때문으로 판단된다.
(3) 인접실의 경우, ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우보다 구획실 내부 온도 분포가 더 높았고, 고온 가스층 온도 상승이 더 높은 것으로 나타났다. 인접실의 온도 분포 및 고온 가스층 온도 상승은 화재실에서 유출되는 고온 가스층의 온도에 지대한 영향을 받게 되는데 ROOM-I-F의 경우가 ROOM-II-F의 경우에 비해 화재실 내 고온 가스층의 온도가 더 높기 때문으로 생각된다. 반면, 인접실의 고온 가스층 두께는 ROOM-II-F의 경우가 ROOM-I-F의 경우에 비해 더 두꺼운 것으로 나타났는데, 이는 ROOM-II-F의 경우 화재실인 ROOM-II에서 인접실인 ROOM-I으로 이동한 유동이 화재실인 ROOM -II로 재유입되는 현상 때문으로 판단된다.
(4) 열방출률에 대한 고온 가스층 두께와 온도 상승의 의존성을 검토하였다. 열방출률이 증가함에 따라 고온 가스층 두께와 온도 상승은 증가하였다. 고온 가스층 두께와 온도 상승은 각각 열방출률의 약 0.031∼0.046 제곱, 0.75∼0.78 제곱에 비례하는 것으로 나타났다. 이는 열방출률에 대한 고온 가스층 온도 상승의 의존성이 고온 가스층 두께보다 크다는 것을 의미한다.

후 기

이 연구는 소방청 및 과학기술정보통신부가 출연하는 국민소방협력 초기대응 현장지원 기술개발사업의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행되었음(과제번호: 20016433). 본 논문은 본 논문 제1저자의 석사 학위 논문 내용 중 일부를 토대로 작성되었음.

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No.	Cases	Fire Source Conditions			Fire Source Location
No.	Cases	HRR (kW)	Fuel Pan Diameter (mm)	Amount of Fuel (g)	Fire Source Location
1	HRR-1.32 & ROOM-I-F	1.32 (±0.05)	91	230.1	ROOM-I
2	HRR-1.32 & ROOM-II-F	1.32 (±0.05)	91	230.1	ROOM-II
3	HRR-3.32 & ROOM-I-F	3.32 (±0.04)	135	601.3	ROOM-I
4	HRR-3.32 & ROOM-II-F	3.32 (±0.04)	135	601.3	ROOM-II
5	HRR-5.21 & ROOM-I-F	5.21 (±0.01)	166	1019.1	ROOM-I
6	HRR-5.21 & ROOM-II-F	5.21 (±0.01)	166	1019.1	ROOM-II

Exponents	ROOM-I-F		ROOM-II-F
Exponents	Fire Room (ROOM-I)	Adjacent Room (ROOM-II)	Fire Room (ROOM-II)	Adjacent Room (ROOM-I)
a	0.045	0.031	0.040	0.046
b	0.77	0.78	0.75	0.78