1. 서 론
구획실 내 화재 시 발생하는 연기는 가시거리를 감소시키고 독성 물질을 포함하고 있어 재실자의 피난에 부정적인 영향을 미친다. 이때 발생하는 연기를 외부로 배출하기 위해 배연 설비를 설치하는데, 일반적으로 배연 설비는 기계 배연 설비와 자연 배연 설비로 분류된다(1). 기계 배연 설비는 기계적 장치를 이용하여 강제적으로 연기를 외부로 배출시키는 설비이고, 자연 배연 설비는 강제적인 유동 발생 없이 뜨거운 연기의 부력을 이용하여 외부로 연기를 배출하는 설비이다. 자연 배연 설비의 경우, 기계 배연 설비에 비해 기계적 장치가 적고 전체적으로 설비를 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 한편, 자연 배연구가 설치된 구획실 내 화재 시, 자연 배연구를 통과하는 유동 현상과 구획실 내 온도, 연기층 온도 및 두께 등과 같은 화재 현상은 상호 밀접한 연관이 있다. 따라서 자연 배연 설비를 보다 널리 적용하고, 자연 배연구가 설치된 구획실 내 화재 현상의 이해 및 예측을 위해서는 다양한 자연 배연구 조건(면적, 위치, 형상 등)이 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향 파악을 위한 연구가 수행되어야 한다.
자연 배연구가 설치된 구획실 내 화재 현상에 대한 연구는 구획실 천장에 수평 개구부(즉, 천장 개구부)만 설치된 조건에서의 연구(2-7)와 천장에 수평 개구부가 설치되고 측면 하부에 수직 개구부(즉, 측면 개구부)가 설치된 조건에서의 연구(8-11)로 구분할 수 있다. 구획실 천장에 수평 개구부만 설치된 조건에 대한 기존 연구의 경우, Li 등(2)과 Li 등(3)은 각각 화원 바로 위에 수평 자연 개구부가 존재하는 조건(2)과 화원과 수평 자연 개구부가 상대적으로 멀리 떨어져 있는 조건(3)에서 개구부 면적과 화원의 면적이 질량 손실률, 구획실 내 온도, 개구부를 통과하는 유동 거동 등에 미치는 영향을 검토하였다. Zhang 등(4)은 구획실 천장 중앙에 수평 개구부가 설치된 조건에서 구획실 내 온도 예측에 대한 연구를 수행하였고, 실험 결과를 토대로 평균 온도 상승에 대한 예측 상관식을 제안하였다. Zhang 등(5)은 수평 개구부가 설치된 구획실에서 수평 개구부 위치가 천장 중앙과 모서리일 때 구획실 내 연기층 높이, 온도 분포, 개구부를 통과하는 질량 유량 등과 같은 화재 현상 검토를 위한 연구를 수행하였다. Park 등(6)은 수평 개구부가 천장 중앙에 위치하고 화원이 천장 개구부 바로 아래의 바닥에 위치할 때, 수평 개구부 면적과 화원의 열방출률이 구획실 내 온도 분포와 개구부를 통과하는 유동에 미치는 영향에 대해 fire dynamics simulator (FDS)를 이용하여 분석하였다. 이후 Park과 Lee(7)는 화원이 바닥 측면에 위치하는 조건에서의 추가적인 전산시뮬레이션(numerical simulation)을 수행하였고, 해당 결과와 기존 연구(6) 결과 간 비교를 통해 화원의 위치가 구획실 내 온도 분포, 개구부 유동의 속도 및 질량 유량 등에 미치는 영향을 검토하였다.
한편, 천장에 수평 개구부가 설치되고 측면 하부에 수직 개구부가 설치된 조건에서의 기존 연구(8-11)의 경우, Merci와 Vandevelde(8)는 화원의 열방출률 및 면적, 천장 개구부의 면적이 온도 분포, 연기층 온도, 연기층 두께, 연기 유출 질량 유량 등에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. 이후 Merci와 Maele(9)는 Merci와 Vandevelde(8)의 연구를 토대로 전산시뮬레이션을 수행하였고, 기존 실험 결과(8)와의 비교 및 분석을 수행하였다. 또한, Beak 등(10)과 Yang 등(11)은 공연장 축소 모형을 이용하여 천장 자연 배출구와 수직 개구부 조건(즉, 방화막 설치 여부)이 화재 현상에 미치는 영향을 각각 실험과 전산시뮬레이션을 통해 검토하였다.
이와 같은 기존 연구들에 대한 검토 결과, 천장 개구부만 설치된 구획실 화재의 일부 연구(2,3,7)를 통해 구획실 화재 현상에 대한 천장 개구부 위치(즉, 천장 개구부와 화원 간 상대적인 위치) 영향을 확인할 수 있었다. 반면, 천장에 수평 개구부가 설치되고 측면 하부에 수직 개구부가 설치된 조건에서의 기존 연구에서는 구획실 내 화재 현상에 대한 천장 개구부 위치의 영향 검토가 체계적으로 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 측면 개구부가 존재하지 않고 천장 개구부만 존재하는 경우에는 천장 개구부 바로 아래 화원이 위치하는 조건(즉, 천장 개구부 중심과 화원 중심이 일치하는 조건)에서 천장 개구부를 통한 원활한 연기 배출을 기대할 수 있으나, 측면 개구부가 존재하는 경우에는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동이 화재 플룸(fire plume)의 거동과 천장 개구부를 통한 연기 유출에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상된다. 따라서, 측면 개구부가 존재하는 구획실에서 천장 개구부를 통한 연기 배출 성능을 향상시키기 위해서는 천장 개구부 조건 중 하나인 개구부 위치에 대한 영향 검토가 필요하다.
본 연구에서는 측면 및 천장 개구부가 설치된 구획실에서 천장 개구부의 위치가 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향에 대해 전산시뮬레이션을 이용하여 검토하였다. 일정한 천장 개구부 면적 조건에서 5가지 천장 개구부 위치에 대한 전산시뮬레이션을 수행하여 천장 개구부 위치에 따른 구획실 내 온도 분포, 연기층 온도 및 두께, 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포 및 유출 질량 유량을 비교 및 분석하였다. 본 연구 결과는 구획실 화재 시 효과적인 연기 배출을 위한 최적의 천장 개구부 위치를 결정하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
2. 전산시뮬레이션 방법 및 조건
2.1 전산시뮬레이션 방법
Figure 1에 본 연구에서 구축한 전산시뮬레이션 개략도를 나타내었다. 추후 본 전산시뮬레이션 결과에 대한 검증 실험을 고려하여 본 연구에서는 실존하는 공간에 대한 축소 모형을 대상으로 연구를 수행하였다. 구획실의 크기는 1.50 m (폭) × 1.36 m (깊이) × 1.10 m (높이)이고, 측면 하부 및 천장에 수직 및 수평 자연 개구부가 설치되어 있다. 측면 개구부 및 천장 개구부의 크기는 각각 0.86 m (폭) × 0.45 m (높이)와 0.45 m (폭) × 0.45 m (깊이)이고, 축소 모형 실험 장치를 고려하여 구획실을 PC판(polycarbonate plate)과 알루미늄판(aluminum plate)으로 설정하였다. 한편, Figure 1에서 측면 개구부 맞은 편(즉, 구획실의 오른쪽 부분)에는 투명한 PC판이 설치되어 막혀있는 상황이다. 즉, 구획실에 존재하는 개구부는 측면 하부 및 천장에 설치된 수직 및 수평 자연 개구부뿐이다. 본 연구에서는 화재 현상에 대한 천장 개구부 위치의 영향을 파악하기 위해 측면 개구부 위치를 기준으로 천장 개구부의 설치 거리를 변화시켜 전산시뮬레이션을 수행하였다.
Figure 1
Schematic diagram of numerical simulation (e.g., for the case of ceiling vent located at the center of ceiling).
화원의 설정 조건은 다음과 같다. 화원의 위치는 구획실 바닥 중앙, 연료는 메탄올(methanol), 열방출률은 2.81 kW로 설정하였다. 본 연구의 열방출률 조건은 축소 모형 실험 시 실험 장치 및 계측기의 안전성을 고려하고, 본 연구의 전산시뮬레이션과 유사한 조건에서 선행적으로 메탄올의 열방출률을 측정하여 결정하였다. 또한, 화재 성장 곡선은 식 (1)에 나타낸 t-squared fire model(12)을 적용하였다.
여기서,Q̇은 열방출률, α는 화재 성장 계수,t는 시간을 의미하고, 화재 성장률은 ultrafast로 설정하였다.
본 연구에서는 구획실 내 온도 분포 측정을 위해 5지점에서 높이 방향으로 온도를 측정할 수 있도록 다수의 온도 측정점을 설정하였다. 5지점의 위치를 TC1~TC5로 명명하였고, TC1~TC5 설정 위치의 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 구획실 바닥으로부터 200 mm에서 1000 mm 높이 구간에 대해, TC1과 TC3의 경우 각각 5지점, TC2와 TC4의 경우 각각 13지점과 9지점에서 온도를 측정할 수 있도록 온도 측정점을 설정하였다. 한편, 구획실 바닥 중앙(즉, 화원 중앙)에서 TC1과 TC3은 645 mm, TC2는 575 mm, TC4는 340 mm 떨어진 위치에 설정하였다. TC5의 경우 구획실 바닥 중앙에서 바닥으로부터 800, 900, 1000 mm 높이에서 온도를 측정할 수 있도록 온도 측정점을 설정하였다. 이와 같은 온도 측정점은 천장 개구부 위치에 상관없이 모두 동일하게 설정하였다.
Figure 2
Position of temperature measurement (e.g., for the case of ceiling vent located at the center of ceiling).
천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포를 측정하기 위해 Figure 3에 나타낸 바와 같이 속도 측정점을 설정하였다. 측면 개구부에 가까운 측정점인 V1부터 가장 먼 측정점인 V5까지 5개의 측정점을 V1, V2, V3, V4, V5로 나타내었고, 각 측정점 간 간격은 0.075 m이다. 각 측정점에서 천장 개구부에 수직 방향 유동 속도인 W-velocity를 측정하였다. 또한, 천장 개구부에는 개구부를 통과하는 유출 및 유입 질량 유량을 측정할 수 있도록 설정하였다.
Figure 3
Position of velocity distribution measurement of flow through ceiling vent (e.g., for the case of ceiling vent located at the center of ceiling).
전산시뮬레이션을 위해 FDS (Ver. 6.7.7)를 사용하였고, D*/δx(plume resolution index)(13)를 고려하여 격자 크기를 결정하였다. 여기서,D*는 특성 화재 직경(characteristic fire diameter), δx는 격자 한 변의 길이를 의미한다. National Institute of Standards and Technology (NIST)/Nuclear Regulatory Commission (NRC)에서는D*/δx에 대해 5~11 범위(13)를 제안하고 있다. 한편, 본 연구 그룹의 기존 연구(11)에서는 본 연구와 유사한 형태의 구획실 내 화재 현상에 대해 격자 한 변의 길이를 0.01과 0.02 m인 경우로 설정하여 격자 민감도 확인을 위한 선행 전산시뮬레이션을 수행하였고, 두 조건 간 결과 차이가 미미함을 보고한 바 있다. 또한, 해당 연구(11)에서는 격자 한 변의 길이를 0.02 m로 설정하여 FDS를 이용한 전산시뮬레이션 결과와 축소 모형 실험 결과를 비교하였고, 두 결과가 유사함을 보고하였다. 본 연구에서도 격자 한 변의 길이를 0.01과 0.02 m인 경우로 설정하여 격자 민감도 확인을 위한 선행 전산시뮬레이션을 수행하였고, 결과 간 차이가 미미한 것을 확인하였다. 본 연구에서는 이러한 결과들을 고려하고, 보수적인 격자 크기 적용을 통해 전산시뮬레이션 결과에 대한 격자 크기의 영향을 최소화하기 위해서 격자 한 변의 크기를 0.01 m로 설정하였다. 이는D*/δx가 9.2인 조건이다. 본 전산시뮬레이션의 총 격자 개수는 3,645,600개이고 전산시뮬레이션 시간은 600 s로 설정하였다.
2.2 전산시뮬레이션 조건
본 연구에서는 화원의 열방출률이 2.81 kW, 측면 개구부 크기가 0.86 m (폭) × 0.45 m (높이), 천장 개구부 크기가 0.45 m (폭) × 0.45 m (깊이)로 일정한 조건에서 천장 개구부 위치 변화에 따른 화재 현상 검토를 위한 전산시뮬레이션을 수행하였다. 본 연구에서 설정한 5가지 천장 개구부 위치에 대한 개략도를 Figure 4에 나타내었다.
천장 개구부 위치 조건에 대해 다음과 같은 명명법을 이용하였다. 측면 개구부로부터 가장 가까운 위치에서 설치된 천장 개구부 조건을 Case F (front), 구획실 천장의 중앙에 설치된 천장 개구부 조건을 Case M (middle), 측면 개구부로부터 가장 먼 위치에 설치된 천장 개구부 조건을 Case B (back)으로 명명하였다. 한편, Case F와 Case M 사이의 위치에 설치된 천장 개구부 조건을 Case F-M (front-middle), Case M과 Case B 사이의 위치에 설치된 천장 개구부 조건을 Case M-B (middle-back)로 명명하였다. Figure 4에 나타낸 바와 같이 측면 개구부로부터 천장 개구부의 중심까지 떨어진 거리는 Case F, Case F-M, Case M, Case M-B, Case B의 경우 각각 0.265, 0.525, 0.750, 0.975, 1.235 m이고, 천장 개구부의 위치는 천장의 중심선(centerline of ceiling)을 따라 변화시켰다. 한편, Figure 4에 구획실 바닥 중앙에 위치하는 화원의 위치를 함께 표시하였으며, Case M 조건의 경우 천장 개구부 중심과 화원의 중심이 일치한다.
3. 전산시뮬레이션 결과 및 분석
3.1 천장 개구부 위치에 따른 구획실 내 화재 현상
본 연구에서는 5가지 천장 개구부 위치에 따른 구획실 내 화재 현상(즉, 온도 분포, 연기층 온도 및 두께, 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 및 유출 질량 유량)에 대해 검토하였다. 전산시뮬레이션 데이터로 500~600 s 시간 범위에서의 평균값을 사용하였고, 오차막대(error bar)는 각 데이터의 표준편차를 의미한다.
Figure 5에 각 천장 개구부 위치 조건에서, 온도 측정 위치에 따른 온도 측정 결과를 TC 별로 나타내었다. 모든 천장 개구부 위치 조건에서 TC1~TC5에서의 온도 측정 위치가 높아짐에 따라 온도가 증가하는 경향이 나타났고, 이는 화원으로부터 발생한 고온의 연기가 구획실 상부에 축적되기 때문으로 판단된다. 전체적으로 Case M-B 조건에서 가장 낮은 온도 분포가 관찰되었다.
Figure 5에 나타낸 온도 분포 측정 결과를 이용하여 천장 개구부 위치 조건이 구획실 상부에 형성되는 연기층의 온도 및 두께에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 연기층 높이는 Figure 5의 온도 분포 측정 결과에서 온도가 급격하게 상승하기 시작하는 높이에서 천장까지의 거리로 정의하였고, 연기층 온도는 해당 연기층 내 온도 측정점에서 측정한 온도의 평균값으로 정의하였다. Figure 6에 천장 개구부 위치 조건에 따른 연기층의 두께 및 온도 상승을 나타내었다. 연기층 온도 상승(smoke layer temperature rise, ΔTg=Ts_avg−Tamb)은 연기층 내 평균 온도(Ts_avg)와 주위 공기의 온도(Tamb) 간 차이를 의미한다.
연기층 온도 상승의 경우, Case F, Case F-M, Case B 조건이 가장 높았고, Case M, Case M-B 조건 순서대로 낮았다. 한편, 연기층 두께의 경우, 연기층 온도 상승과 유사한 경향이 관찰되었다. 즉, Case F, Case F-M, Case B 조건에서 연기층 두께가 가장 두꺼운 것으로 나타났고, Case M, Case M-B 조건 순서대로 연기층 두께가 감소하였다. 즉, Case M-B 조건에서 연기층 온도가 가장 낮았고, 연기층 두께가 가장 얇은 것으로 나타났다.
Figure 7에 천장 개구부 위치 조건에 따른 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도(W-velocity) 분포 측정 결과를 나타내었다. x-축에는 측면 개구부로부터 각 천장 개구부의 중심까지의 떨어진 거리를 나타내었고 이에 대한 개략도를 Figure 4에 나타내었다.
측면 개구부에서 가장 가까운 위치 조건인 Case F 조건의 경우, 속도 측정점의 위치가 측면 개구부로부터 멀어짐(즉, V1 → V5)에 따라 속도가 감소하는 경향이 나타났다. Case F-M 조건의 경우, 속도 측정점의 위치가 V1에서 V4로 이동함에 따라 속도가 감소하다가 V5에서 급격하게 증가하는 것으로 나타났고, Case M 조건의 경우, V1에서 V5로 이동함에 따라 지속적으로 속도가 증가하는 것으로 관찰되었다. 한편, Case M-B 조건의 경우, V1에서 V3로 이동함에 따라 속도가 증가하다가, V3에서 V5로 이동함에 따라 속도가 감소하였다. Case B 조건의 경우, V1에서 V2로 이동함에 따라 속도가 감소하다가, V2에서 V5로 이동함에 따라 속도가 약간씩 증가하는 것처럼 보이지만 큰 변화는 없었다. 각 천장 개구부 위치에서의 속도 분포 측정 결과를 종합적으로 고려할 때, Case M-B 조건에서, 천장 개구부 중심 부근 위치에서 최대 유동 속도가 측정되는 대칭적인 속도 분포가 나타났고, 평균 속도가 가장 높은 것으로 관찰되었다.
한편, Figure 8에는 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량을 천장 개구부 위치 조건에 따라 나타내었다. Case M-B 조건에서 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량이 가장 많은 것으로 관찰되었다. 그 다음으로 Case M 조건에서 유출 질량 유량이 많았고, Case F, Case F-M, Case B 조건에서 유출 질량 유량이 가장 적은 것으로 나타났다.
Figures 5~8을 토대로 볼 때, 구획실 내 온도 분포, 연기층 온도 및 두께, 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포 및 유출 질량 유량은 서로 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 본 연구의 천장 개구부 위치 조건 중 Case M-B 조건에서 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량(Figure 8)이 가장 많은 것으로 나타났는데 이러한 경향은 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포(Figure 7) 측정 결과와도 일치한다. 한편, 본 연구에서 대상으로 하고 있는 측면 및 천장 개구부가 설치된 구획실 조건에서 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량은 측면 개구부를 통해 유입되는 질량 유량과 같다. 즉, 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량이 많다는 것은 측면 개구부를 통해 유입되는 질량 유량 또한 많다는 것을 의미한다. 따라서, Case M-B 조건이 다른 천장 개구부 위치 조건에 비해 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량(Figure 8)이 많으므로 구획실 내 온도 분포(Figure 5)가 낮고, 연기층 온도 및 두께(Figure 6)가 감소되는 것으로 판단된다.
3.2 측면 개구부를 통해 유입되는 유동이 화재 플룸 거동에 미치는 영향
한편, Figures 5~8에 나타낸 바와 같이, 화원의 바로 위에 천장 개구부가 존재하는 Case M 조건에 비해 Case M-B 조건에서 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량이 증가하고 구획실 내 온도 및 연기층 두께가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 대상으로 하고 있는 측면 및 천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 시, 연기 배출량을 증가시키고 구획실 내 온도 및 연기층 하강을 감소시키기 위해서는 천장 개구부의 위치를 화원 바로 위(즉, Case M 조건)가 아닌 화원 바로 위에서 측면 개구부 반대 방향으로 약간 떨어진 위치(즉, Case M-B 조건)에 천장 개구부를 설치해야 함을 의미한다. 본 연구의 이러한 결과는 측면 개구부 없이 천장 개구부만 존재하는 기존 연구 결과(7)와는 차이가 있다. Park 등(7)은 천장 중앙에 수평 개구부만 존재하는 조건에서 화원이 바닥 중앙에 위치하는 경우와 측면에 위치하는 경우에 대해 구획실 내 화재 현상 차이를 검토하였다. 연구 결과, 화원이 바닥 중앙에 위치하는 경우(즉, 화원 바로 위에 천장 개구부가 존재하는 경우)가 바닥 측면에 위치하는 경우(즉, 화원 바로 위에 천장 개구부가 존재하지 않는 경우)에 비해 천장 중앙의 수평 개구부를 통과하는 유출 질량 유량이 많고 구획실 내 온도가 낮다고 보고하였다. 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 연구(7) 결과를 토대로 볼 때, 측면 개구부 존재 여부가 구획실 내 화재 현상에 지대한 영향을 미친다고 판단된다. 측면 개구부의 영향 중 하나로, 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸 거동의 변화가 구획실 내 화재 현상과 밀접하게 연관되어 있을 수 있다.
측면 개구부를 통해 유입되는 유동이 화재 플룸 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 Figure 9에 Case M-B 조건에 대한 온도 분포 가시화 결과를 나타내었다. 가시화 결과, 측면 개구부를 통해 유입되는 유동과 화재 플룸의 부력 영향으로 인해 화재 플룸이 2개의 영역으로 구분되는 것을 확인할 수 있었다. Region ①에서는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동으로 인해 화재 플룸이 측면 개구부의 반대 방향으로 기울어지는 것으로 나타났고, Region ②에서는 비교적 수직 방향으로 화재 플룸이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 가시화 결과를 토대로 볼 때, Region ①에서는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동과 화재 플룸의 부력 영향이 모두 중요하게 나타나는 영역이고, Region ②에서는 비교적 부력의 영향이 지배적인 것으로 판단된다. 따라서, 측면 및 천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 시, 연기 배출량을 증가시키고 구획실 내 온도 및 연기층 두께를 감소시키기 위한 천장 개구부의 설치 위치를 결정하기 위해서는 (i) 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸의 기울어짐과 (ii) 기울어짐이 나타나는 화재 플룸 영역의 높이(즉, Figure 9에서 Region ①의 높이)에 대한 예측이 중요하다고 판단된다.
본 연구에서는 선행적으로 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸의 기울어짐을 예측하기 위해 기존 화염각(flame angle, θf) 상관식의 구획실 화재 조건에 대한 적용성을 검토하였다. 본 연구에서는 Figure 9와 같은 가시화 결과로부터 화원 표면의 수직축(vertical axis)과 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의해 기울어진 화재 플룸 간 각도(θ)를 도출하였고 이를 기존 화염각 상관식과 비교하였다. 비교에 이용한 기존 화염각 상관식은 Putnam(14)과 Albini(15)에 의해 제안된 상관식을 이용하였고, 해당 상관식을 식 (2)와 식 (3)에 각각 나타내었다. 두 식 모두 Fr 수(Froude number)를 이용하여 화염각 예측 상관식을 제안하였고, 전체적인 상관식의 형태는 유사하다.
여기서,U는 바람(측면 유동)의 속도,g는 중력 가속도를 의미한다.H은 초기 화염 높이, 즉, 측면 유동이 없는 조건(무풍 조건)에서의 화염 높이를 의미하고, 본 연구에서는 식 (4)와 같은 평균 화염 높이(Lf) 상관식(12)을 이용하였다.
여기서,Q̇과D는 각각 화원의 열방출률과 직경을 의미한다.
본 전산시뮬레이션의 화재 플룸 기울어짐과 기존 상관식에 의한 화염각 예측 간 비교 결과를 Figure 10에 나타내었다. 본 전산시뮬레이션 결과의 측면 유동 평균 속도(U-velocity)는 측면 개구부를 통해 유입되는 질량 유량 측정 데이터로부터 도출하였다. 본 전산시뮬레이션 조건 중, Case M-B 조건에서 화재 플룸의 기울어짐이 가장 큰 것으로 관찰되었다. 측면 개구부를 통과하는 유입 질량 유량은 Figure 8에 나타낸 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량과 밀접한 관련이 있는데, Case M-B 조건에서 측면 개구부를 통과하는 유입 질량 유량이 많아서 측면 유동 속도가 빠르고, 이로 인해 화재 플룸의 기울어짐이 크게 나타난 것으로 판단된다. 기존 상관식의 경우, 측면 유동 속도가 증가함에 따라 화염각이 증가하는 것으로 예측되었고, 이는 화염이 많이 기울어짐을 의미한다. 한편, Putnam(14)과 Albini(15)가 제안한 상관식은 본 전산시뮬레이션의 화재 플룸 기울어짐을 과소 예측하였고, 기존 상관식과 본 전산시뮬레이션 간 차이는 각각 약 19.0%와 28.9%로 나타났다. 이러한 차이가 나타난 이유 중 하나는 본 전산시뮬레이션의 경우 구획실 화재 조건으로 기존 상관식이 도출된 실험 조건과 다르기 때문으로 판단된다.
Figure 10
Comparison between fire plume inclination of present numerical simulation and previous flame angle correlation.
본 전산시뮬레이션 결과를 토대로 볼 때, 측면 및 천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 시, 천장 개구부 위치가 구획실 내 온도 분포, 연기층 온도 및 두께, 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포 및 유출 질량 유량에 지대한 영향을 미치고, 이는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸 거동 변화와 연관되어 있음을 알 수 있었다. 따라서 구획실 내 화재 시 높은 연기 배출 성능을 확보하기 위한 천장 개구부 위치 결정을 위해서는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동이 화재 플룸 거동에 미치는 영향(예를 들면, 화재 플룸의 기울어짐 및 기울어짐이 나타나는 화재 플룸 영역의 높이 등)을 정확하게 예측하는 것이 필요하다. 추후 다양한 개구부 및 화원 조건에서 전산시뮬레이션 및 해당 전산시뮬레이션의 검증을 위한 실험적 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 측면 및 천장 개구부가 설치된 구획실에서 천장 개구부의 위치가 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향에 대해 전산시뮬레이션을 이용하여 검토하였다. 화원의 열방출률은 2.81 kW, 측면 개구부 크기는 0.86 m (폭) × 0.45 m (높이), 천장 개구부 크기는 0.45 m (폭) × 0.45 m (깊이)로 설정하였다. 천장 개구부 위치를 Case F, Case F-M, Case M, Case M-B, Case B 조건과 같이 5가지로 변화시켰고, 측면 개구부로부터 각 조건의 천장 개구부 중심까지 떨어진 거리는 각각 0.265, 0.525, 0.750, 0.975, 1.235 m이었다. 각 천장 개구부 위치 조건에서의 전산시뮬레이션을 통해 구획실 내 온도 분포, 연기층 온도 및 두께, 천장 개구부를 통과하는 유동의 속도 분포 및 유출 질량 유량을 비교 및 분석하였다. 본 연구에서 도출한 주요 결과를 아래에 정리하였다.
(1) Case F, Case F-M, Case B 조건에서 연기층 온도가 가장 높고 연기층 두께가 가장 두꺼웠으며, 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량이 가장 적었다. 반면, Case M-B 조건에서 전체적인 구획실 내 온도 분포 및 연기층 온도가 가장 낮고 연기층 두께가 가장 얇았으며, 천장 개구부를 통과하는 유출 질량 유량이 가장 많았다. 또한, Case M-B 조건에서, 천장 개구부 중심 부근 위치에서 최대 유동 속도가 측정되는 대칭적인 속도 분포가 나타났고, 평균 속도가 가장 높은 것으로 관찰되었다. 즉, 천장 개구부 위치에 따라 구획실 내 화재 현상이 지대한 영향을 받음을 확인하였고, 이러한 경향이 나타난 이유 중 하나는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸 거동의 변화 때문으로 판단된다.
(2) 온도 분포 가시화 결과, 화재 플룸은 측면 개구부를 통해 유입되는 유동과 화재 플룸의 부력 영향이 모두 중요한 영역(Figure 9의 Region ①)과 비교적 부력의 영향이 지배적인 영역(Figure 9의 Region ②)으로 구분되었다. 구획실 내 화재 시 연기 배출 성능을 향상시키기 위한 적절한 천장 개구부 위치의 결정을 위해서는 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸의 기울어짐과 기울어짐이 나타나는 화재 플룸 영역의 높이가 유용한 정보로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 구획실 화재 조건에서 측면 개구부를 통해 유입되는 유동에 의한 화재 플룸의 기울어짐을 예측하기 위해 Putnam(14)과 Albini(15)가 제안한 화염각 상관식의 적용성을 검토한 결과, 두 상관식은 측면 유동 속도가 증가함에 따라 화염각이 증가하는 것으로 예측하였고, 본 전산시뮬레이션의 화재 플룸 기울어짐을 각각 약 19.0%와 28.9% 과소 예측하는 것으로 나타났다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
