1. 서 론
테러 범죄나 산업현장에서 일어날 수 있는 유독⋅유해가스 노출 빈도는 매우 적으나, 1995년 일본의 사린가스 테러와 1984년 인도 보팔(Bhopal) 가스 누출 사고를 통해 그 위험성과 사회에 미치는 영향이 얼마나 큰지를 알 수 있다. 이러한 유해가스의 유출, 테러에 대비한 훈련 시설을 짓고 실제 훈련을 하는 것을 매우 중요하다. 유해가스 살포에 대비한 훈련은 실제 상황을 가정하여 실전과 같은 환경에서 이루어져야 하나 유해가스를 직접 살포하고 구조 훈련하기에는 대원의 안전성 문제 등 다양한 위험 부담을 가지고 훈련이 진행되어야 하기 때문에 대체 가스를 사용하여 훈련하게 된다. 하지만 대체 가스가 실제 유해가스와 어느 정도 유사한지는 알려진 바가 없다.
테러에 대비한 가스 유동에 대한 국내 연구는 많이 이루어지지 않았으나 사고 사례 분석(1-3) 및 실내에서의 가스 확산에 관한 연구는 비교적 많이 이루어지고 있다(4-7). 현대에 들면서 우리는 입식 생활하게 되고 대부분 실내에 조리시설이 함께 있으며, 단열성능 및 기밀성능의 향상되면서 조리 중에 발생한 오염물(미세먼지, 이산화탄소, 휘발성 유기화합물 등)은 침기(infiltration)에 의해 배기 되지 않고 과거에 비하여 실내에 더 많이 머무르게 된다. 이는 테러나 산업현장에서 발생하는 유해가스는 아니지만, 그 거동은 매우 유사한 형태를 나타낸다. Kang 등(4)은 조리 시 발생하는 주요 오염물질인 일산화탄소, 산화질소, 먼지, volatile organic compounds (VOCs), 포름알데히드와 같은 오염물질의 배기 시설과 계단실에서 불어오는 기류를 고려하여 실내 확산에 관하여 수치적인 연구를 수행하였다. 일반적으로 실내 오염물질은 배기 시설만을 이용하여 배출하게 되나 이러한 방법은 계단실과 같은 추가적인 신선한 공기 흡입이 있는 경우 효과가 줄어든다고 하였다. 또 실내에 흡⋅배기 장치를 이용한 흡기와 배기를 동시에 하는 경우가 가장 효과적으로 오염물질을 배기하는 방법이라고 하였다.
Cho와 Kim(5)은 밀폐 공간 내 작업 중 질소 가스에 의한 질식 사망사고를 CFD (전산유체역학, computational fluid dynamics) 방법을 이용하여 재현하고 사망사고에 이르게 된 원인과 시간을 추정하였다. 질소 유입에 따른 구조물 공간에서의 농도 변화를 CFD 모사를 통해 인명 사고가 난 지점에서의 질소 농도를 정량화하고 산소농도(%)를 산정, 인체에 미치는 영향을 도출하였다. 연구에서 주어진 조건으로 작업자가 청색증(cyanosis)에 이르는 데 1 min도 걸리지 않았으며 6∼8 min 정도 시간이 지나면 혼수상태(coma)가 되거나 치명적인 위협이 되는 것을 확인하였다.
밀폐된 공간에 누출된 가스는 한정된 공간에서 빠르게 확산하기 때문에 외부 누출에 비하여 매우 위험하다. 안전을 위해서는 방지뿐 아니라 가스의 확산 거동을 이해하고 예측하는 것 또한 중요한 요소라고 할 수 있다. Ha 등(6)은 노즐을 통해 분사된 가스가 분사 후에 육면체 실험공간에서 확산하여 가는 양상을 CFD 방법으로 연구하였다. 또한, 이를 실험과 비교하여 CFD가 실험과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 노즐에 의한 분사를 정확히 모사하기 위하여 먼저 노즐에 대하여 2차원으로 해석을 수행하고 속도분포를 얻고 이를 3차원 공간의 입구 조건으로 사용하였다.
공기보다 가벼워 부력을 가지는 가스에 대한 거동은 실내 가스 거동을 연구하는데 매우 중요한 역할을 한다. 특히 건축 재료로부터 발생하는 라돈, 포름알데히드, 조리용으로 사용되는 프로판가스는 대표적인 물질이다. 외부로부터 흡입공기와 함께 유입된 가스는 밀도 차이로 인해 부력효과를 가지게 되어 복잡한 거동을 하게 된다. Jang 등(7)은 농도 방정식과 운동량 방정식을 이용하여 부력을 가지는 기체에 대한 실내 거동을 연구하였다. 유입되는 공기의 속도가 빠르면 밀도차에 의한 부력보다는 관성의 영향을 더 많이 받게 되며 유속이 느려지는 경우 밀도차에 의한 부력효과가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 유입되는 공기의 속도가 증가할수록 배출되지 못한 오염물이 넓게 확산되어 넓은 영역에 걸쳐 오염물의 농도가 증가하는 것을 확인하였다.
구조 훈련장의 환경은 실제 환경과 같은 것이 가장 좋으나 훈련 대상이 유독가스인 경우라면 실제 가스 대신 대체 가스를 사용하여 진행하여야 한다. 이러한 대체 가스는 실제 가스와 밀도, 점성이 다르므로 유동의 양상이 다를 수밖에 없다. 본 연구는 유해가스 살포를 대비한 구조 훈련장 내의 실제 가스와 대체 가스의 유동 특성을 파악하고 이를 통하여 대체 가스의 실효성을 검증하고자 한다. 유해가스로는 암모니아 가스를 선정하였으며 대체 가스로는 독극물이 아니며 국내에서 구매가 가능한 헬륨과 이산화탄소를 우선 선정하여 물리적 특성을 파악하고 이를 바탕으로 훈련장 건설이 완료된 후 실제 훈련에 사용할 대체 가스를 선정하고자 한다. 3종 가스에 대하여 훈련의 초기 대응 단계인 30 min까지의 유동 특성을 비교하였다.
2. 본 론
2.1 훈련용 테스트베드 구성 및 계산 모델
Figure 1은 본 연구의 대상인 화학테러 훈련장(chemical terror testbed)의 모식도를 나타낸 것으로 훈련장은 국립소방연구원 부지에 2023년도 완공 예정이다. 훈련장은 3개의 층으로 구성되어 있으며 소방대원 및 소방 지휘관들이 화학 테러 발생 시 대응 역량을 높이기 위한 훈련 시설이 될 것으로 생각된다. 각 층은 대표적인 다중이용시설을 모사할 수 있도록 구성되어 있다. 지상 3층은 공연장(극장), 지상 2층은 벽이 없는 큰 1개의 공간으로 구성되어 있다. 지상 1층은 지하철 공간으로 지하철 대합실, 지하철의 사무공간으로 구성되어 있다. 지상 2층은 가벽을 이용하여 다양한 형태(사무공간, 쇼핑몰 등)로 변경이 가능하도록 설계되었다.
본 연구에서는 건축 중인 훈련장 도면을 이용하여 실제 크기의 3차원 모형(CAD 모형)을 만들고 CFD를 이용하여 가스 거동을 분석하였다. 3개의 층은 특정한 시설에 대하여 훈련할 수 있게 되어 있으며 직접적으로 연결되어 있지 않고 개별로 훈련을 수행할 수 있도록 설계되었다. 다중이용시설 중 많은 사람이 한곳에 집중적으로 위치하며 탈출구가 제한적이어서 유해가스 살포에 가장 취약할 수 있는 3층의 공연장을 대상으로 하였다. 공연장(극장)에는 의자나 스크린 기타 시설이 존재하나 명확하게 설치 방법에 대한 것은 향후 결정됨으로 이를 제외하였다. 현재는 대체 가스와 실제 가스의 연관성에 관한 연구로 공연장 대공간 내의 거동을 보는 데 충분할 것으로 판단된다.
Figure 2에 보는 것과 같이 상부에 공조기가 설치되어 냉⋅난방을 할 수 있게 되어 있다. 유입구(suppler)가 4개, 유출구(exhaust)가 4개로 구성되어 있다. 극장의 출입구는 모두 막혀 있는 것으로 하였다. 유해가스는 유입구를 통해 공기와 함께 들어오는 것으로 가정하였다.
2.2 훈련시나리오와 계산 조건
전체 훈련은 관련된 기관이 모두 참여하여 다양한 내용으로 수행하게 되어 있으나 본 논문은 유해가스 살포에 따른 구조에 관하여 수치적 해석을 수행하고 실제 가스와 대체 가스의 유동 특성을 파악하는 것이 목적이므로 Table 1과 같이 최초 신고와 구조를 위한 요원이 현장에 도착하여 구조를 시작하는 초기인 30 min까지 계산을 수행하였다.
Table 1
Event Time and Its Action
본 논문과 관련된 훈련 시나리오는 화학 테러 사건에 의해 의도적으로 살포된 유해가스 유입으로 설정하였다. 가스 유입이 발생하고 신고가 이루어지는 시간은 최초 180 s (3 min)이며 이후 대응팀이 현장에 도착하고 대원투입 및 대피가 시작되는 시간은 1800 s (30 min)이다. 본 논문에서 화학 테러는 무수암모니아를 테러 의도를 가진 테러리스트가 봄베 1개 47 L (약 23 kg)를 이용하여 공조기에 살포하는 것으로 가스가 유입되는 시간은 약 300 s (5 min)으로 하였다. 공조기를 이용하여 살포하게 되므로 천정을 통하여 유입되고 배출구가 있는 천정을 통하여 나가는 것으로 하였다. 대체 가스의 경우에는 본 논문의 의도에 맞추어 암모니아와 같은 양의 부피가 살포되도록 하였다. 그리고 실제 가스와 대체 가스가 서로 밀도가 다르므로 질량에 의한 분석은 무의미한 것으로 생각되며 부피비인 ppm을 이용하여 분석하였다.
계산에 사용할 적절한 격자를 정하기 위하여 110만, 220만, 360만개의 다면체 격자(polyhedral mesh)를 사용하여 300 s (5 min)까지 한 암모니아의 농도를 Figure 3에 나타내었다. 3가지 격자에서 비슷한 경향들을 보여주고 있으며 220만과 360만개 격자의 농도분포가 110만개 격자에서 농도 보다 대체로 비슷한 경향을 보여주고 있다. 이후 계산은 220만개의 격자를 사용하였다. 난류 모델은 k-e모델(realizable k-e model)을 사용하였다. 암모니아는 공기와 반응하지 않고 입구를 통해서 공기와 함께 혼합 기체 형태로 유입 되는 것으로 하였다. 혼합 기체(공기+가스)는 건축 설계 사양에 맞추어 계산하였다. 실내 공기질 관리 기본계획에 따르면 다중시설의 경우 시간당 2회의 환기를 하게 되어 있으나 본 연구에서는 해당하는 양의 공기를 일정하게 흡입구를 통해서 흡입하는 것으로 하였다.
3. 결 과
3.1 훈련테스트베드구성 및 계산 모델
암모니아의 독성은 acute exposure guideline levels (AEGL)(8,9)에 따라 평가했으며 AEGL은 노출 시간에 따라 나누어지며 Level-1까지는 불쾌감을 주는 정도의 농도를 나타내며, Level-2는 건강에 악영향을 주며 심각한 건강의 악영향을 주는 농도이며 Level-3은 생명에 위협을 주는 농도를 나타낸다(Table 3). 상황 발생 후 1800 s (30 min)의 시간이 지나면 구조대원이 현장에 도착하여 구조를 시작하는 시점임으로 1800 s (30 min) 노출에 AEGL-3의 기준으로 분석하였다(10).
Table 3
AEGL Level According to Time(8,9)
| AEGL-1 (ppm) | AEGL-2 (ppm) | AEGL-3 (ppm) | |
|---|---|---|---|
| 10 min | 30 | 200 | 2700 |
| 30 min | 30 | 200 | 1600 |
| 60 min | 30 | 160 | 1100 |
| 4 h | 30 | 110 | 550 |
| 8 h | 30 | 110 | 390 |
공기 공급부(air suppler)로 분사된 기체가 극장 내부로 확산된 양을 확인하기 위하여 3층 극장 공간의 가장자리 4지점과 중심부 1지점 해서 총 5지점에서 기체의 양(ppm)을 시간에 따라 측정하였다. 극장의 형태가 대칭을 이루고 있으므로 대칭되는 두 곳을 제외하고 청중석 앞뒤 그리고 중심부 세 곳에 결과를 표시하였다(Figure 4). 위치 1은 청중석 앞으로 높이가 가장 높으며(약 4.5 m), 위치 3은 청중석 뒤로 높이가 가장 낮다(약 3.5 m).
위치 1에서의 기체 농도분포를 Figure 5에 나타내었다. 공기보다 가벼운 기체인 헬륨과 암모니아는 위로 모이고 무거운 기체인 이산화탄소는 아래로 모이는 경향이 있다. 기체 유입에 의한 분포특징을 보면 몇 개의 구간으로 구분할 수 있다. 유해가스와 공기의 혼합 기체가 공급되는 300 s (5 min)까지와 기체 흡입이 종료되고 실내의 가스가 배출되는 시기로 나누어진다. 흡입이 종료된 이후도 초반부와 후반부로 나눌 수 있다. 기체의 흐름을 좌우하는 것은 관성과 부력이라고 생각할 수 있다. 흡입구를 통하여 실내로 유입될 때 운동량이 많아 관성이 지배적인 역할을 하지만 넓은 공간으로 나온 기체는 급격히 운동량이 감소하고 부력이 지배적으로 된다. 헬륨은 매우 가벼운 기체이기 때문에 관성의 감소와 함께 급격하게 상승하고 이후 천장을 따라 이동한다. 배출은 공급과는 다르게 넓은 공간에서 좁은 공간으로 가속되어 가기 때문에 넓은 영역에 걸쳐 서서히 가속되며 배출구를 제외하면 운동량이 많지 않다. 그러므로 배출구의 전면에 있는 기체를 서서히 끌어들이는 경향이 있다. 매우 가벼운 기체인 헬륨은 천정을 타고 이동하게 되므로 상대적으로 빠져나가는 양이 적어 암모니아에 비하여 오랜 시간 농도를 유지하였다.
위치 1에서 기체 주입이 완료되는 270 s (약 5 min) 지난 농도를 보면 가벼운 기체인 헬륨과 암모니아는 상부에 높은 농도를 보이며, 반대로 이산화탄소는 바닥 부분에서부터 농도가 높아지는 것을 알 수 있다. 특히, 헬륨과 암모니아는 농도는 천장 부근에서 차이를 보이고 있으나 그 외 부분에서는 경향이 비슷하게 나타나고 있다. 가벼운 헬륨은 암모니아보다 부력의 영향을 많이 받기 때문에 상부에 높은 농도를 보이고 중간부위에서 급격히 감소하며 암모니아보다 낮은 농도를 보였다. 이러한 경향은 270 s (약 5 min)가 지난 시점까지 비슷하게 나타났다.
밀도가 높아 부력의 영향을 적게 받으며 관성의 영향이 많은 이산화탄소는 반대로 바닥에서부터 농도가 상승한다. 또 배출구가 상부 천장에 설치되어 있으므로 이산화탄소는 빠져나가는 양이 적어 헬륨이나 암모니아보다 빠르게 농도가 높아지는 것을 확인할 수 있다.
가스 유입이 종료되는 300 s (5 min) 이후 흡입구를 통해 공기만 유입되므로 혼합기체의 유입이 있을 때와는 반대의 현상이 일어난다. 가벼운 헬륨과 암모니아는 천장 부근에 분포되어 있고 상대적으로 무거운 공기가 유입되기 때문에 유입된 신선한 공기는 부력의 영향이 없고 관성에 의해 바닥으로 깔리게 된다. 신선한 공기는 부력의 영향을 받지 않고 바닥으로 내려가며 천장 부근 상부에 머무는 헬륨은 영향을 적게 받는다. 그러므로 헬륨은 비교적 긴 시간 상부에 머무르게 된다. 그러므로 헬륨은 1800 s (30 min)이 지나도 천장 부근에 비교적 높은 농도를 유지하고 있다. 반대로 이산화탄소는 유입이 종료된 300 s (5 min) 이후에는 무거운 이산화탄소가 깔린 바닥으로 가벼운 공기가 유입된다. 그러므로 바닥까지 바로 내려가지 못하고 바닥에 있는 이산화탄소에 밀려 오히려 올라가게 된다. 그러나 이후 신선한 공기가 바닥의 이산화탄소를 서서히 밀고 내려간다. 약 900 s (15 min)의 시간이 지나면 유입된 공기는 이산화탄소를 밀어내고 바닥까지 이르게 되며 바닥을 따라 이동한다. 이에 따라 이산화탄소는 무거운 기체임에도 불구하고 오히려 중심부보다 낮은 농도를 가지게 된다. 유입구 주변이 아닌 영역에서 이산화탄소는 배출구로부터 거리가 멀어 영향을 적게 받으며 일정한 비율로 배출이 된다. 그러므로 이산화탄소는 다른 기체에 비하여 오랜 시간 높은 농도를 유지하게 된다. 암모니아는 헬륨과 이산화탄소와도 비슷한 이중적인 모습을 보인다. 우선 유입이 일어나는 300 s (5 min)까지는 헬륨과 비슷한 경향을 보인다. 그러나 혼합기체 유입이 종료되는 300 s (5 min) 이후에는 상부의 높은 농도의 암모니아가 배출구를 통해 빠져나가면서 천장 부근의 높은 농도가 감소하고 농도는 차이가 있지만 상하가 일직선 형태를 보이는 이산화탄소와 비슷해진다.
바닥으로부터 약 3.5 m보다 높은 천장 부근을 제외하고 헬륨과 암모니아의 분포는 유사성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 헬륨의 분포와 암모니아 분포의 비는 평균적으로 1.3정도 되었다. 즉, 헬륨의 농도에 1.3을 곱하면 암모니아의 농도를 얻을 수 있다는 것이다. 유해가스인 암모니아를 대신해서 헬륨가스를 이용한 훈련도 실제 암모니아 살포와 거동에서 유사한 경향이 나타나기 때문에 타당할 것으로 판단된다. 더 나아가 헬륨이 아니어도 부력의 효과가 있는 무해한 가스는 대체 훈련용 가스로 사용이 가능할 것으로 생각된다.
청중석 뒤쪽에 있는 위치 3 (Figure 6)에서의 분포를 살펴본 결과 전체적인 분포나 경향은 위치 1과 유사하였다. 위치 1에서는 이산화탄소가 약간 높은 농도를 보이는 데 반하여 가벼운 기체인 헤륨은 위치 3에서 약간 높은 농도를 보였다. 그러나 그 차이는 그리 크지 않았다. 다만 천정으로부터 거리가 짧고 유입구, 유출구와 거리가 가까워 농도가 위치 1에 비하여 빠르게 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, 630 s (약 10 min) 지난 이산화탄소를 관찰하면 바닥에서 농도의 급격한 변화를 관찰할 수 있다. 이는 암모니아의 유입이 끝나고 유입구를 통하여 공기만 유입이 시작되는 단계로 이미 유입된 무거운 암모니아가 아래쪽에 있으며 가벼운 공기가 큰 운동량을 가지고 들어 오게 된다. 공기가 무거운 암모니아를 밀어내지 못하고 오히려 밀려 올라가게 된다. 이에 따라 농도분포의 급격한 변화가 관찰되었다. 그러나 시간이 지남에 따라 공기가 서서히 암모니아를 밀어내고 공기가 바닥을 따라 이동한 후 벽면을 따라 상승하게 되며 큰 2차 유동을 발생시키게 된다.
청중석 중심부에 있는 위치 5에서도 다른 위치와 유사한 변화를 보인다(Figure 7). 특히, 300 s (5 min)까지는 헬륨과 암모니아는 밀도가 많이 차이가 남에도 불구하고 다른 경우보다 더 비슷한 경향을 보인다. 300 s (5 min) 이후에 암모니아의 상부에 높은 분포가 급격히 줄어들면서 헬륨과 비슷한 분포를 나타낸다. 헬륨과 암모니아는 밀도가 상당히 다름에도 불구하고 유사한 분포를 나타내었으며 훈련용으로 사용할 대체 가스로서 가능성이 있음을 확인할 수 있다.
전체적인 가스의 거동을 확인하기 위하여 흡입구와 배출구가 있는 면에서 가스의 분포(contour)를 나타내었다(Figure 8). Figure 8에서 첫 번째와 세 번째, 두 군데가 유입구이며 나머지 두 군데는 배출구이다. 90 s에 있는 선은 1,600 ppm의 위치를 나타낸다. 220 ppm (AEGL-2)과 1,600 ppm (AEGL-3) 두 개의 선을 표시하였으나 전체적인 농도가 높아 220 ppm은 나타나지 않고 1,600 ppm만 표시되었다. 기체가 분출되는 270 s까지 보면 암모니아와 헬륨의 경우 입구에서는 관성에 의해 분출 직후에는 아래 방향으로 향하고 있지만 충분히 멀리 바닥까지 이르지 못하고 중간에 부력에 의해 천정으로 올라가는 형태를 확인할 수 있다. 또 헬륨과 이산화탄소는 부력의 정도가 달라 다시 상승하는 위치가 약간 차이가 나는 것을 알 수 있다. 그러나 이산화탄소의 경우에는 이와 다르게 유동이 바닥까지 도달하고 바닥을 타고 좌우로 분산되는 것을 확인할 수 있다. 확산한 암모니아는 벽과 청중석의 경사진 면을 만나면서 상승하게 된다. 이는 무거운 기체의 전형적인 유동의 형태이다. 이러한 유동 특성의 차이로 인해서 암모니아와 헬륨은 상부에 높은 농도를 나타내고 있으며 바닥에는 상대적으로 낮은 농도를 보인다. 이산화탄소는 반대로 바닥부터 농도가 높게 나타나고 있다. 기체가 살포되고 90 s가 지난 시점에 이미 모든 영역은 AEGL-3에 해당하는 1,600 ppm을 넘어가고 있다. 1800 s (30 min)을 기준으로 위험도를 평가했기 때문에 모든 영역의 요구조자는 즉시 구조가 필요한 상태가 된다. 한편 600 s (10 min) 노출 기준 AEGL-3에 해당하는 2,700 ppm도 초과했다. 270 s (약 5 min)가 지난 시점에서 헬륨을 보면 다른 기체들과 다르게 상부에 매우 높은 밀집도를 보이기 때문에 바닥 부분에는 암모니아보다 낮은 농도를 보인다. 농도분포가 3종 가스 모두 전체적으로 수평으로 나타나 있다. 이는 유입구와 유출구의 영향이 지역적이라는 것을 나타낸다.
살포가 종료되는 300 min (5 min) 이전과 이후의 유동이 어떻게 차이가 나는지를 Figure 8을 통하여 명확히 확인할 수 있다. 300 s (5 min) 이전에는 혼합 기체가 들어오지만, 이후에는 유입구로 공기만 들어오게 된다. 그래서 300 s (5 min) 이후에는 유동의 형태가 확연히 달라진다. 암모니아와 헬륨의 경우 유입구로 들어온 공기는 부력의 영향을 받지 않고 바닥까지 이르게 되며 자연스럽게 바닥을 따라 유동이 발생한다. 이에 반해 이산화탄소의 경우 바닥에 깔린 이산화탄소에 상대적으로 가벼운 공기가 분사되기 때문에 바닥까지 유입구의 공기가 도달하는 데 시간이 걸리며 이후에도 바닥을 타고 이동하지 못하고 무거운 이산화탄소에 밀려 상승하게 된다. 또 다른 한편 배출구는 방향성을 가지고 있지 않기 때문에 주변의 공기를 일정하게 흡입하는 경향이 있다. 그러므로 배출구 주변에서는 유입구 주변과는 다르게 농도분포의 변화가 관찰되지 않는다.
시간이 더 지나면 흡입구로 들어온 공기는 차츰 바닥을 타고 번져 나가며 반대쪽 벽면까지 이른다. 이러한 경향은 암모니아와 헬륨에서 먼저 일어나고(630 s), 이 이후에 이산화탄소도 일어난다. 이산화탄소의 경우 다른 기체와 다르게 밀도가 높아서 바닥을 따라 이동한 공기로 인해 전체적으로 큰 와류(vortical flow)를 생성하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 와류로 인해 Figures 5∼7과 같이 600 s (10 min) 이상 지났을 때 이산화탄소가 아래쪽이 더 낮은 농도를 보이게 된다. 또 다른 바닥을 타고 흐르는 유동 때문에 전체적으로 공기와 기체가 섞이고 농도가 높이에 따라 일정한 값을 보이면서 시간이 지남에 따라 서서히 감소하는 경향을 보이게 된다.
흡입구와 배출구 주변을 통한 가스의 유입과 배출을 확인하기 위하여 흡입구와 배출구에서의 순간적인 유선(streamline)을 Figure 9에 나타내었다. 앞에서도 언급한 바와 같이 기체가 유입되는 약 360 s (5 min)까지와 그 이후는 상당히 다른 유선을 보여준다. 유선은 입자의 흐름을 나타내지는 않지만, 그 순간의 입자 이동 방향을 관찰할 수 있다. Figure 9에서 붉은색은 유입구 주변, 파란색은 배출구 주변의 유선을 나타낸다. Figure 9에서 좌측은 유입이 종료되기 직전인 270 s와 배출이 끝나고 조금 시간이 흐른 630 s 일때 유선을 나타내었다.
유입이 일어나고 있는 초기시점에서는 암모니아와 헬륨은 유입구의 흐름이 급격하게 상승하는 방향으로 바뀌었으며 천정에 이른 후에 이를 따라 이동하게 되는데 이러한 현상을 270 s 지난 유선에서 확인할 수 있다. 배출구와 흡입구가 번갈아 있으므로 유동의 방향이 한쪽으로 치우쳐 발생하는 것도 확인할 수 있다. 가스 유입이 종료되고 나면 부력과 관성의 영향이 서로 바뀌게 되어 유입되는 공기의 유동 형태가 바뀌는 것을 알 수 있다. 또 암모니아와 헬륨은 부력과 관성의 변화도 비슷하게 일어나는 것을 확인할 수 있다.
4. 결 론
화학구조 대원의 훈련을 위해 훈련장에서 유해가스를 대신하여 사용할 대체 가스의 유동과 확산 양상 특성을 시간(30 min)에 따라 확인하였다. 이를 통하여 대체 가스가 실제 유해가스와 어느 정도 유사한 유동 특성이 있는지 파악하였다. 실제 가스는 암모니아이며 대체 가스는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 헬륨과 이산화탄소로 하였다. 헬륨과 이산화탄소 또한 농도에 따라 인체에 유해할 수 있으므로 대체 가스로 직접 사용하는 것은 어려울 것으로 판단되나 대체 가스 특성을 파악하므로 향후 무해한 훈련용 대체 가스를 선정하는 데 도움이 될 것으로 생각된다. 헬륨과 암모니아는 밀도 차이가 약 4.2배 정도로 상당히 큰 차이를 가지고 있음에도 불구하고 수치 실험의 결과 분포에 있어서 유의미한 유사성을 보였다. 이에 반하여 이산화탄소는 상대적으로 무거운 기체이므로 배출 초기부터 바닥부터 쌓이면서 농도분포에 있어서 큰 차이를 보였다. 암모니아와 같이 공기보다 가벼운 기체를 헬륨과 같이 가벼운 기체로 대체가 가능할 것으로 생각된다. 또 대체 가스를 선정하는 데 있어 중요한 요소는 부력임을 알 수 있었다. 밀도 차이가 큰 경우에도 비슷한 유동 특성을 보였으며 반대로 공기보다 무거운 기체인 이산화탄소는 약 2.7배 차이를 보였으나 유체 거동은 상당한 차이를 보였다. 이는 이산화탄소는 공기보다 무거우며 이에 따라 바닥으로 깔리는 거동이 발생하기 때문이다. 수치 실험을 바탕으로 암모니아를 대체하여 가벼운 기체는 충분히 그 역할을 할 수 있음을 알 수 있었다.
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