축소 모형 실험을 통한 복도 내 화재 시 고온 가스층 최대 온도 검토

Examination of Maximum Temperature of Hot Gas Layer in Fire in Corridor Using Reduced Model Experiments

Article information

Fire Sci. Eng.. 2023;37(6):23-30

Publication date (electronic) : 2023 December 31

doi : https://doi.org/10.7731/KIFSE.08bd58fc

Yoon Chae Sim , Yun Young Kim ^*, Yu Mi Park ^**, Chi Young Lee ^***^,^****^,

심윤채, 김윤영^*, 박유미^**, 이치영^***^,^****^,

부경대학교 소방공학과 학부생

Undergraduate Student, Department of Fire Protection Engineering, Pukyong National University

* 부경대학교 지능형화재안전기술및행동과학연구소 전임연구원

* Researcher, Research Institute for Intelligent Fire Safety Technology and Human Behavioural Science, Pukyong National University

** 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 October 04; Revised 2023 November 03; Accepted 2023 November 06.

Abstract

본 연구에서는 축소 모형 실험을 통해 복도 내 화재 시 고온 가스층 최대 온도에 대한 검토를 수행하였다. 직경이 다른 원형 연료팬을 이용하였고, Case_C 조건(실험 장치 양쪽 측면: 개방, 화원 위치: 바닥 중앙)과 Case_S 조건(실험 장치 한쪽 측면: 개방, 다른 한쪽: 폐쇄, 화원 위치: 폐쇄된 측면 부근)에 대해 실험을 수행하였다. 동일한 연료팬 직경 조건에서 Case_S 조건이 Case_C 조건에 비해 열방출률이 더 높게 나타났다. 화원 부근에서는 Case_C와 Case_S 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승이 유사하였으나, 화원으로부터 멀리 떨어진 위치에서는 Case_S 조건이 Case_C 조건에 비해 고온 가스층 최대 온도 상승이 높았다. Case_S 조건에 비해 Case_C 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승이 화원으로부터의 거리와 열방출률에 더 크게 의존하는 것으로 나타났고, 기존 상관식은 본 연구의 고온 가스층 최대 온도 상승 결과를 과소 예측하였다. 한편, 화원으로부터 멀리 떨어진 위치에서 Case_C 조건보다 Case_S 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 더 낮은 것으로 나타났다.

Trans Abstract

In this study, the maximum temperature of the hot gas layer in a fire in a corridor was investigated using a reduced model. Round fuel pans with different diameters were used. Experiments for Case_C (both sides of the test section were open, and the fire source was at the center of the floor) and Case_S (one side of the test section was open, the other side was closed, and the fire source was located near the closed side) were conducted. Under the same fuel pan diameter conditions, the heat release rate of Case_S was higher than that of Case_C. Near the fire source, the maximum temperature rises of the hot gas layers in Case_C and Case_S were similar; however, at a distance from the fire source, Case_S showed a higher maximum temperature rise of the hot gas layer than Case_C. The maximum temperature rise of the hot gas layer in Case_C depended more on the distance from the fire source and heat release rate than that in Case_S, and the previous correlation under-predicted the present experimental data of the maximum temperature rise of the hot gas layer. In addition, at a distance from the fire source, the measurement position corresponding to the maximum temperature rise of the hot gas layer in Case_S was lower than that in Case_C.

Keywords: Corridor fire; Maximum hot gas layer temperature; Dependence; Correlation assessment

1. 서 론

긴 공간 내 화재 시 형성되는 연기층의 거동을 이해하고 예측하는 것은 해당 공간 내 화재 현상의 이해와 예측, 인적 및 물적 피해를 최소화하는 데에 있어 중요한 연구 주제 중 하나이다. 건축물 내에서 긴 공간의 대표적인 예는 복도이다. 복도를 대상으로 화재 현상을 검토한 기존 연구로, 복도와 연결된 구획실에서 화재 발생 시 구획실에서 발생한 연기가 복도로 유입되어 확산하는 경우와 복도 내에서 화재가 발생한 경우에 대해 수행된 바 있다. 이에 대한 기존 연구를 아래에 간략하게 정리하였다.

구획실에서 발생한 화재로 인해 연기가 복도로 유입되어 확산하는 경우에 대한 연구가 일부 수행되었다. Quintiere(1)는 부속실에서 발생한 화재가 복도로 전파하여 플레임오버(flameover)가 일어날 때, 화재 전파 속도와 바닥재에 따른 화염 높이가 플레임오버에 미치는 영향을 검토하였다. Quintiere 등(2)은 화재실과 연결된 복도 형상의 실규모 화재와 축소 모형 화재 실험을 비교하여 축소 모형 실험의 유효성을 검토하였다. Jones과 Quintiere(3)는 인접실 화재로 인한 연기가 복도로 확산하는 상황에서 존모델(zone model)을 이용하여 연기층 높이를 예측하였고, 예측 결과가 실험 결과와 적절하게 일치함을 확인하였다. Bailey 등(4)은 consolidated fire and smoke transport (CFAST)의 복도 유동 서브 모델(sub-model) 개발 및 검증을 위하여 three- dimensional large eddy simulation (LES3D)을 이용한 전산시뮬레이션(numerical simulation)을 수행하였다. 천장 분출 유동(ceiling-jet flow)의 온도 및 구획실 내 특정 지점에 도달하는 시간에 대한 상관식을 검토하였고, 실규모 실험 결과와 전산시뮬레이션 결과를 비교 및 분석하였다. Li 등(5)은 화재실과 복도로 연결된 구획실에서 화재실에 설치된 개구부를 통해 유입되는 외기 풍속을 팬(fan)을 이용하여 제어하고, 열방출률을 변화시켜 축소 모형 실험을 수행하였다. 질량 및 운동량 보존 법칙을 토대로 연기층 확산 속도에 대한 이론적 상관식을 도출하고, 이를 실험 결과와 비교하였다. Wang 등(6)은 Li 등(5)의 실험을 바탕으로 전산시뮬레이션을 수행하였으며, 전산시뮬레이션과 실험 결과 간 비교를 통해 전산시뮬레이션의 정확도를 확인하였다. 또한, 전산시뮬레이션 결과를 바탕으로 Froude 수(Froude number)를 이용하여 연기층 성층화 상태(smoke stratification state)를 3가지로 구분하였다. Huang과 Li(7)는 화재실에 설치된 창문을 통해 유입되는 실외 풍속, 열방출률, 창문의 면적이 복도 구획실 연기층 성층화 특성에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였고, Froude 수를 이용하여 복도 구획실의 연기층 성층화 특성을 4가지로 구분하였다.

한편, 복도 내에서 화재가 발생한 경우에 대해 다음과 같이 일부 연구가 수행되었다. Hu 등(8)은 한쪽이 폐쇄된 긴 복도에서 폐쇄된 측면 부근에 화원이 위치할 때, 천장 아래의 연기층 내 온도 및 속도 분포를 실험을 통해 측정하였다. 실험 결과를 토대로 화원으로부터 떨어진 거리에 따른 온도 및 속도에 대한 상관식을 제안하였으며, 온도 예측 상관식에 대하여 Bailey 등(4)이 제안한 온도 상관식과 비교하였다. Yang 등(9)은 긴 복도에서 열방출률 및 화재성장률을 변화시켜 실험을 수행하였고, 기존에 제시된 천장 분출 유동의 전방 속도(front velocity) 상관식을 검토하였다. 또한, Hinkley(10)가 제안한 천장 분출 유동 상관식에 열손실 영향을 고려하여 실험 결과와 비교하였다. Li 등(11)은 복도 내 천장 분출 유동의 온도 및 속도를 예측하기 위한 모델을 제안하였다. Richardson 수(Richardson number)와 무차원 천장 분출 유동 두께(non-dimensional ceiling-jet thickness)를 이용하여 이론적 모델을 도출하였고, 실험 결과를 바탕으로 검증하였다. Zhao 등(12)은 복도 내 2개의 화원이 존재하는 경우에 대해 실험과 전산시뮬레이션을 수행하였다. 천장 분출 유동의 온도, 수직 방향 온도, 화염 가시화에 대한 실험과 전산시뮬레이션 결과 간 비교를 통해 전산시뮬레이션 결과를 검증하였다. Zhao 등(13)은 복도 내 화원 근처의 유동에 대한 모델을 개선하기 위하여 실험과 전산시뮬레이션을 수행하였다. 화원 위쪽 천장 부근에 형성되는 회전 영역에서는 실험과 전산시뮬레이션의 결과가 유사하게 나타났지만, 방사형 확산 구간에서는 복도 벽의 영향으로 외기의 혼입이 억제되어 전산시뮬레이션이 실험을 과대 예측함을 보고하였다.

앞서 언급한 바와 같이 복도와 관련된 기존 연구(1-13)에서는 연기층 거동에 대한 연구가 수행되었다. 한편, 복도의 경우 다양한 위치에서 화재가 발생할 수 있고, 화재 위치에 따라 측면 개방 조건이 달라질 수 있다. 이러한 화원 주위의 측면 개방 조건은 확산하는 고온 가스층의 특성에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 그럼에도 불구하고 복도 내 화재 발생 시 화원 주위의 측면 개방 조건에 따른 연구는 미흡하였다. 또한 복도에는 화재 감지를 위한 감지기가 설치될 수 있는데, 이 경우 복도에서 확산하는 연기층의 최대 온도 및 최대 온도 발생 위치는 매우 중요한 정보이다. 하지만 이에 대한 연구는 제한적으로 수행되었다.

본 연구에서는 복도 내 화재 시 고온 가스층 최대 온도 검토를 위한 축소 모형 실험을 수행하였다. 화원의 열방출률과 축소 모형 실험 장치의 측면 개방 조건(즉, 화원 주위의 측면 개방 조건)을 변화시켰다. 화원으로부터 다양한 거리에서 높이에 따른 온도 분포를 측정하였고, 해당 온도 분포 결과로부터 고온 가스층 최대 온도 상승과 최대 온도 상승 측정 위치를 도출하였다. 실험 결과를 토대로, 열방출률과 화원으로부터의 거리에 대한 고온 가스층 최대 온도 상승의 의존성을 확인하였고, 기존 예측 상관식을 검토하였다.

2. 실험 장치 및 조건

2.1 실험 장치

Figure 1에 본 연구에서 구축한 복도 모형 실험 장치의 형상과 온도 측정 위치를 나타내었다. 실험 장치 크기는 1000 mm (깊이) × 4600 mm (폭) × 1080 mm (높이)로, 알루미늄 프로파일(aluminium profile)과 투명한 폴리카보네이트 판(polycarbonate plate)을 사용하여 제작되었고, 개구부를 제외한 부분은 완전히 밀폐시켰다. 공간 내 온도 측정을 위해 10개의 지점에 열전대 트리(thermocouple tree)를 설치하였고, 각 열전대 트리를 TC1∼TC10으로 명명하였다. 실험 시 화원 위치에 대응하는 열전대 트리인 TC1과 TC6에는 400∼1070 mm 높이 구간에 높이 방향으로 11개, 그 이외의 열전대 트리(TC2∼TC5, TC7∼TC10)에는 200∼1070 mm 높이 구간에 12개의 K-type 열전대를 설치하였다. 열전대로부터 측정된 온도는 데이터 수집 장치(data acquisition system)와 컴퓨터(computer)를 이용하여 저장되었다.

Figure 1

Schematic of corridor model and temperature measurement position.

2.2 실험 조건

본 연구에서는 화원의 열방출률 및 위치, 축소 모형 실험 장치의 개방 조건에 따른 실험을 수행하였다. 연료로는 메탄올(methanol)을 이용하였고 열방출률을 변화시키기 위하여 120, 140, 160 mm 직경의 스테인리스 스틸(stainless steel) 원형 연료팬(fuel pan)을 사용하였다. 각 연료팬 조건에서 메탄올이 연소할 때의 무게 감소량과 시간을 측정하여 질량손실률(mass loss rate, inlne formula)을 도출하였고, 질량손실률과 메탄올의 연소열(H_c)을 토대로 식(1)을 이용하여 열방출률(inlne formula)을 도출하였다.

(1)Q˙=W˙×Hc

화원의 위치 및 축소 모형 개방 조건의 경우, Case_C (Case_Center)와 Case_S (Case_Side) 조건에 대해 실험을 수행하였다. Case_C는 화원이 실험 장치 바닥의 중앙에 위치하고 실험 장치 양쪽 측면(Figure 1의 +y와 -y 방향의 xz평면에 해당하는 실험 장치의 측면)이 모두 개방된 조건을 가리킨다. Case_S는 실험 장치 한쪽 측면(Figure 1의 -y 방향의 xz평면에 해당하는 실험 장치의 측면)은 폐쇄, 다른 한쪽 측면(Figure 1의 +y 방향의 xz평면에 해당하는 실험 장치의 측면)은 개방되고 폐쇄된 측면 부근의 바닥에 화원이 존재하는 조건을 가리킨다. Figure 1에 나타낸 바와 같이, Case_C의 경우, 중앙에 위치한 화원에서 양쪽 개방면까지의 거리는 2300 mm이고, Case_S의 경우, 측면에 위치한 화원은 폐쇄된 벽에서 500 mm 떨어져 있으며, 화원에서 개방면까지의 거리는 4100 mm이다. 모든 조건에서 총 5회의 반복 실험을 수행하였고, 온도 데이터 분석을 위해 시간에 따른 온도가 정상상태가 된다고 판단되는 시점을 기준으로 300 s 동안 측정된 데이터를 평균하여 사용하였다. Figures 2∼9에 5회 반복 실험의 평균값을 나타내었고, 오차 막대(error bar)를 이용하여 표준편차를 표시하였다. 일부 조건에서 오차 막대가 마치 없는 것처럼 보이는 경우는 오차 막대가 작아서 심볼(symbol)에 가려져 있거나 반복 실험 결과가 모두 동일하여 표준편차가 0이기 때문이다.

Figure 2

Heat release rate (HRR) with fuel pan diameter for Case_C and Case_S.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 열방출률

Figure 2에 Case_C와 Case_S 조건에서 연료팬 직경에 따른 열방출률 측정 결과를 나타내었다. 연료팬 직경이 증가함에 따라 열방출률이 증가하였다. 연료팬 직경이 120, 140, 160 mm 일 때 열방출률은 Case_C 조건에서 각각 3.60, 5.05, 6.75 kW, Case_S 조건에서 각각 3.80, 5.58, 7.25 kW로 측정되었다. 동일한 연료팬 직경 조건에서 Case_S 조건이 Case_C 조건에 비해 열방출률이 더 높게 나타났다. 이러한 원인 중 하나는 Case_S 조건의 경우 한쪽 측면이 폐쇄되어 Case_C 조건에 비해 주변 온도가 높게 형성되고, 이로 인해 연료의 질량손실률이 증가하기 때문으로 추측된다. 하지만 이에 대한 명확한 분석을 위해서는 추가적인 온도 측정 및 가스 분석 등이 이루어져야 할 것으로 생각된다.

3.2 온도 분포

Figures 3과 4에 각각 Case_C와 Case_S 조건에서 측정된 열방출률과 화원으로부터 거리에 따른 온도 분포를 나타내었다. 온도 분포 측정 결과를 통해 복도 상부에 고온 가스층이 형성됨을 확인하였고, 열방출률이 증가함에 따라 고온 가스층 내 온도가 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한, 천장 근처(예를 들면, 1070 mm 측정 높이)에서 화원으로부터 거리가 멀어짐에 따라 고온 가스층의 온도가 감소하는 경향이 관찰되었는데 이는 벽면을 통한 열손실 때문으로 판단된다.

Figure 3

Temperature distribution with distance from fire source under different HRRs for Case_C.

Figure 4

Temperature distribution with distance from fire source under different HRRs for Case_S.

한편, Figure 5에 Case_C 조건에서 화원으로부터 동일한 거리에 위치하는 TC의 온도 분포 측정 결과를 비교하여 나타내었다. Figure 1에 나타낸 바와 같이, TC5와 TC7, TC4와 TC8, TC3과 TC9, TC1과 TC10은 화원에서 떨어진 거리가 동일하다. 모든 열방출률 조건에서 화원을 중심으로 동일한 거리에 위치하는 TC에서 측정된 온도 분포 결과가 대칭적으로 나타남을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로, 본 연구에서 Case_C 조건의 데이터를 나타낼 때, 화원에서 동일한 거리에 위치하는 TC에서 측정된 온도 분포의 반복 실험 결과를 평균하여 사용하였다.

Figure 5

Symmetry of temperature distribution for Case_C.

3.3 고온 가스층 최대 온도 및 최대 온도 위치

Figures 3과 4에 나타낸 높이에 따른 온도 분포 측정 결과에서 화원으로부터 거리에 따른 고온 가스층 최대 온도 상승을 도출하여 Figure 6에 나타내었다. Figures 6(a)와 6(b)에 각각 Case_C와 Case_S 조건에 대한 결과를 나타내었고, Case_C 조건의 경우 화원을 중심으로 대칭적인 위치의 TC에서 도출한 고온 가스층의 최대 온도 상승을 평균하여 나타내었다. Case_C와 Case_S 조건 모두에서 화원으로부터 거리가 멀어짐에 따라 고온 가스층의 최대 온도 상승이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 벽면을 통한 열손실과 하부에 있는 저온 공기가 고온 가스층으로 혼입(entrainment)되기 때문으로 판단된다.

Figure 6

Maximum temperature rise of hot gas layer with distance from fire source under different HRRs for Case_C and Case_S.

Figure 6의 실험 결과를 토대로, Case_C와 Case_S 조건에 대해 각 열방출률 조건에서 화원 중심으로부터 거리(r)에 대한 고온 가스층 최대 온도 상승(∆T_g,max= T_g,max- T_∞, 여기서 T_g,max는 고온 가스층 최대 온도, T_∞는 주위 공기 온도)의 의존성을 도출하였다. ∆T_g,max ∼ r^x의 관계를 적용하여 실험 결과로부터 지수(exponent, x)를 도출한 결과, Case_C 조건에서 열방출률이 3.60, 5.05, 6.75 kW인 경우 지수 x는 각각 -0.24, -0.26, -0.26으로 나타났고, Case_S 조건에서 열방출률이 3.80, 5.58, 7.25 kW인 경우 지수 x는 각각 -0.14, -0.13, -0.12로 나타났다. 본 결과를 토대로 볼 때, Case_S 조건에 비해 Case_C 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승이 화원으로부터 거리에 더 크게 의존하는 것으로 판단된다.

한편, Figure 6에 천장 분출 유동의 최대 온도 상승에 대한 기존 상관식의 예측 결과를 함께 나타내었다. 본 연구에서는 기존에 널리 이용되고 있는 Alpert(14)의 예측 상관식을 대상으로 하였다. Alpert(14)는 화원에서 가까운 구간과 먼 구간에 대해 각각 식(2)와 식(3)과 같은 천장 분출 유동 내 최대 온도 상승에 대한 예측 상관식을 제안하였다.

(2)ΔTg, max =Tg, max −T∞=16.9Q˙2/3/H5/3; for r/H≤0.18

(3)ΔTg, max =Tg, max −T∞=5.38(Q˙/r)2/3/H; for r/H≻0.18

여기서 H는 화원으로부터 천장까지의 거리를 의미한다. 본 연구의 고온 가스층 온도 상승 측정 결과는 모두 r/H ≻ 0.18인 위치에서 측정된 것이므로 식(3)을 적용하여 비교하였다. Figure 6에 나타낸 바와 같이 Alpert(14)가 제안한 상관식은 본 실험 결과를 과소 예측하는 것으로 나타났다. 이는 Alpert(14)의 연구에서 대상으로 한 천장 분출 유동 조건과 본 연구의 고온 가스층 유동 조건 간 차이 때문으로 생각된다. 즉, Alpert(14)의 연구에서 대상으로 한 천장 분출 유동은 벽이나 보에 의해 제한되지 않는 조건(즉, 천장 분출 유동이 반경 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 조건)인 반면, 본 연구의 고온 가스층 유동은 양쪽 벽(Figure 1에 나타낸 실험 장치의 yz평면에 존재하는 벽)에 의해 구속되어 한 축(Figure 1에 나타낸 실험 장치의 y축)으로만 이동하고 있는 조건이다. 고온 가스층 유동이 제한을 받지 않는 조건이 제한을 받는 조건에 비해 열손실이 크고 하부에 있는 저온 공기가 고온 가스층으로 원활하게 혼입될 수 있다. 따라서 Alpert(14)가 제안한 상관식은 본 연구의 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 결과를 과소 예측한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 고온 가스층 최대 온도 상승을 예측하기 위해서는 구획 형상에 적합한 상관식이 적용되어야 한다는 것을 의미한다.

Figure 7에 Case_C와 Case_S 조건의 온도 분포 측정 위치(Case_C의 경우 300, 600, 1200, 1800 mm, Case_S의 경우 300, 600, 1200, 1800, 2400, 3000, 3600 mm)에 대해 열방출률에 따른 Case_C와 Case_S 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승을 나타내었다. 모든 온도 분포 측정 위치에서 열방출률이 증가함에 따라 고온 가스층 최대 온도 상승이 증가하는 경향이 관찰되었다. Case_C와 Case_S 조건의 공통된 온도 분포 측정 위치(300, 600, 1200, 1800 mm)에서 Case_C와 Case_S 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승을 비교하였다. 화원 부근 온도 분포 측정 위치(300 mm)에서는 Case_C와 Case_S 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승이 유사한 것으로 관찰되었으나, 화원으로부터 비교적 멀리 떨어져 있는 온도 분포 측정 위치(600, 1200, 1800 mm)에서는 Case_S 조건이 Case_C 조건보다 고온 가스층 최대 온도 상승이 높은 것으로 나타났다.

Figure 7

Maximum temperature rise of hot gas layer with HRR under different distances from fire source for Case_C and Case_S.

Figure 7의 실험 결과를 토대로, 각 온도 분포 측정 위치에서 열방출률에 대한 고온 가스층 최대 온도 상승의 의존성을 도출하였다. ΔTg,max∼Q˙y의 관계를 적용하여 실험 결과로부터 지수(y)를 도출한 결과, Case_C 조건에서 온도 분포 측정 위치가 300, 600, 1200, 1800 mm인 경우, 지수 y는 각각 0.77, 0.80, 0.80, 0.80으로 나타났고, Case_S 조건에서 온도 분포 측정 위치가 300, 600, 1200, 1800, 2400, 3000, 3600 mm인 경우, 각각 0.62, 0.67, 0.68, 0.68, 0.69, 0.70, 0.71로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 볼 때, Case_S 조건에 비해 Case_C 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승이 열방출률에 의해 더 급격하게 변화하는 것으로 판단된다. 또한, Figure 6에 나타낸 ∆T_g,max ∼ r^x관계의 지수 x와 비교할 때 지수 y가 더 큰 것으로 평가되었고, 이는 고온 가스층 최대 온도 상승이 화원으로부터 거리보다 열방출률에 더 큰 의존성을 갖는다는 것을 의미한다.

Figure 8에 Case_C와 Case_S 조건에 대한 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치를 화원으로부터 거리에 따라 나타내었다. Figure 8(a)에 나타낸 바와 같이 Case_C 조건에서는 화원에서 멀어짐에 따라 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 낮아지는 경향(즉, 천장으로부터 멀어지는 경향)이 관찰되었고, 이는 벽면으로의 열손실 때문으로 판단된다. Figure 8(b)에 나타낸 Case_S 조건에서는 Case_C 조건과 유사하게 화원으로부터 거리가 300∼1800 mm인 구간 내에서는 화원에서 멀어짐에 따라 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 낮아지는 경향이 나타났다. 그러나 화원으로부터 거리가 1800∼3600 mm인 구간에서는 화원으로부터의 거리가 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치에 미치는 영향이 미미하였다.

Figure 8

Position corresponding to maximum temperature rise of hot gas layer with distance from fire source under different HRRs for Case_C and Case_S.

Figure 9에 Case_C와 Case_S 조건의 온도 분포 측정 위치(Case_C의 경우 300, 600, 1200, 1800 mm, Case_S의 경우 300, 600, 1200, 1800, 2400, 3000, 3600 mm)에 대해 열방출률에 따른 Case_C와 Case_S 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치를 나타내었다. Case_S 조건에서 온도 분포 측정 위치가 1800, 2400, 3000, 3600 mm인 경우에서 최대 온도 상승 측정 위치는 1000 mm로 동일하게 측정되었다. Case_C 조건에서는 열방출률이 가장 큰 6.75 kW 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 다른 열방출률 조건에 비해 약간 높았지만, Case_C와 Case_S 조건의 전체적인 결과를 토대로 판단할 때, 열방출률이 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치에 미치는 영향은 미미한 것으로 생각된다. 한편, 화원으로부터 온도 분포 측정 거리가 먼 경우(예를 들면, 1200, 1800 mm), Case_C 조건보다 Case_S 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 더 낮은 것으로 나타났다. 이는 Case_C 조건의 경우 양쪽 측면이 개방되어 있어 고온 가스층이 양방향으로 배출되는 반면, Case_S 조건의 경우 한쪽 측면으로만 고온 가스층이 배출되어 고온 가스층이 Case_C 조건에 비해 더 두껍게 형성되기 때문으로 추측된다.

Figure 9

Position corresponding to maximum temperature rise of hot gas layer with HRR under different distances from fire source for Case_C and Case_S.

본 연구에서는 현실적인 제약으로 인해 축소 모형을 활용한 연구를 수행하였다. 본 연구 결과는 복도 내 화재 시 연기층의 최대 온도에 대해 이해하는데 중요한 정보를 제공하고 있고, 본 연구의 실험 데이터는 전산시뮬레이션의 신뢰성을 확인하는 데에 활용될 수 있다. 추후 본 연구의 실험 데이터를 토대로 전산시뮬레이션의 신뢰성을 확인하고 해당 전산시뮬레이션을 이용하여 더 높은 열방출률 조건과 같은 추가적인 조건에서 연구가 수행될 예정이다. 한편, 본 실험 결과와 기존 상관식(14) 간 비교를 통해 고온 가스층 최대 온도 상승을 예측하기 위해서는 구획 형상에 적합한 상관식이 적용되어야 한다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 전산시뮬레이션을 활용할 경우, 다양한 고온 가스층 특성(예를 들면, 평균 및 최대 온도, 평균 및 최대 속도, 질량 유량 등)의 데이터를 확보할 수 있다. 추후 다양한 고온 가스층 특성에 대한 분석 및 관련 예측 상관식에 대한 검토가 이루어질 예정이다. 한편, 본 연구에서는 현실적인 제약으로 인해 메탄올을 이용하여 실험을 수행하였으나, 추후 다양한 연료를 이용한 추가적인 연구가 수행될 필요가 있다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 축소 모형 실험을 통해 복도 내 화재 시 고온 가스층 최대 온도에 대한 검토를 수행하였다. 화원의 열방출률을 변화시키기 위해 직경이 120, 140, 160 mm인 원형 연료팬을 이용하였다. 화원이 실험 장치 바닥의 중앙에 위치하고 실험 장치 양쪽 측면이 모두 개방된 Case_C 조건과 실험 장치 한쪽 측면은 개방, 다른 한쪽 측면은 폐쇄하여 폐쇄된 측면 부근의 바닥에 화원이 위치하는 Case_S 조건에 대해 실험을 수행하였다. 아래에 본 연구에서 도출한 주요 연구 결과를 정리하였다.

(1) 연료팬 직경이 120, 140, 160 mm 일 때 열방출률은 Case_C 조건에서 각각 3.60, 5.05, 6.75 kW, Case_S 조건에서 각각 3.80, 5.58, 7.25 kW로 측정되었다.
(2) 화원으로부터 거리가 멀어지고 열방출률이 감소함에 따라 고온 가스층 최대 온도 상승이 감소하였다. 화원 부근 온도 분포 측정 위치에서는 Case_C와 Case_S 조건의 고온 가스층 최대 온도 상승이 유사하였으나, 화원으로부터 비교적 멀리 떨어져 있는 온도 분포 측정 위치에서는 Case_S 조건이 Case_C 조건에 비해 고온 가스층 최대 온도 상승이 높았다. 한편, Alpert(14)가 제안한 천장 분출 유동의 최대 온도 상승 예측 상관식은 본 실험 결과를 과소 예측하였다.
(3) ∆T_g,max ∼ r^x와 ΔTg,max∼Q˙y의 관계를 이용하여 화원 중심으로부터 거리와 열방출률에 대한 고온 가스층 최대 온도 상승의 의존성을 확인한 결과, 지수 x는 Case_C 조건에서 -0.26∼-0.24, Case_S 조건에서 -0.14∼-0.12로 나타났다. 지수 y는 Case_C 조건에서 0.77∼0.80, Case_S 조건에서는 0.62∼0.71로 나타났다. 즉, Case_S 조건에 비해 Case_C 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승이 화원으로부터 거리와 열방출률에 더 크게 의존하는 것으로 나타났다. 또한, Case_C와 Case_S 조건 모두에서 열방출률이 화원으로부터 거리보다 고온 가스층 최대 온도 상승에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(4) 화원으로부터 거리가 300∼1800 mm인 구간에 대하여, 모든 화원 위치 조건에서 화원으로부터 멀어짐에 따라 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 낮아졌다. 한편, Case_S 조건의 경우, 화원으로부터 거리가 1800∼3600 mm인 구간에서는 화원으로부터 거리가 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치에 미치는 영향이 미미하였다. 또한 열방출률이 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치에 미치는 영향은 미미하였고, 화원으로부터 거리가 먼 온도 분포 측정 위치(예를 들면, 1200, 1800 mm)에서는 Case_C 조건보다 Case_S 조건에서 고온 가스층 최대 온도 상승 측정 위치가 더 낮은 것으로 나타났다.

후 기

이 연구는 소방청 및 과학기술정보통신부가 출연하는 국민소방협력 초기대응 현장지원 기술개발사업의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행되었음(과제번호: 20016433).

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