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.

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.