Fire Sci. Eng. Search

CLOSE


Fire Sci. Eng. > Volume 37(6); 2023 > Article
화원이 존재하는 구획실의 높이가 수평 개구부 유동과 온도 분포에 미치는 영향

요 약

화원이 존재하는 구획실의 높이가 수평 개구부 유동과 온도 분포에 미치는 영향에 대한 전산시뮬레이션을 수행하였다. 구획실 높이가 1.1 m (H1.1)와 5.5 m (H5.5), 개구부 면적이 바닥 면적의 1% (HV01)와 10% (HV10), 화원의 위치가 바닥의 중앙(FSC)과 측면(FSS)인 조건을 대상으로 하였다. HV01 조건과 HV10 조건 모두, FSC 조건에서는 H1.1 조건이 H5.5 조건보다 개구부 유동의 질량 유량이 많고 속도가 빨랐다. FSS 조건의 경우, HV01 조건에서는 H5.5 조건과 H1.1 조건의 질량 유량 차이가 미미하였지만, HV10 조건에서는 H5.5 조건이 H1.1 조건보다 질량 유량이 많았다. 유동 속도는 H1.1 조건과 H5.5 조건에서 유사하게 나타났다. 한편, HV01 조건의 모든 화원 위치에서 H1.1 조건이 H5.5 조건보다 구획실 내 온도 분포가 높았다. HV10 조건의 경우, FSC 조건에서는 H5.5 조건이 H1.1 조건보다 구획실 내 온도 분포가 높았고, FSS 조건에서는 반대의 경향이 관찰되었다. 화재 플룸 중심선의 온도 상승에 대해, 기존 상관식은 본 전산시뮬레이션 결과를 과대 예측하는 것으로 나타났고, 구획실 내 혼합 현상이 화재 플룸 중심선의 온도 상승 경향에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

ABSTRACT

The effect of compartment height with a fire source on the horizontal vent flow and temperature distribution was numerically investigated. Two compartment heights were examined, namely 1.1 m (H1.1) and 5.5 m (H5.5). Horizontal vent areas were set at 1% (HV01) and 10% (HV10) of the floor area, and fire sources were positioned at the center (FSC) and side (FSS). H1.1 exhibited a larger mass flow rate and higher velocity of vent flow than H5.5 for FSC cases with HV01 and HV10. In the case of HV01 with FSS, the mass flow rates between H1.1 and H5.5 were comparable. However, in the case of HV10 with FSS, H5.5 demonstrated a larger mass flow rate than H1.1. Vent flow velocities appeared similar between H1.1 and H5.5 for FSS cases with both HV01 and HV10. Meanwhile, H1.1 exhibited a higher temperature distribution than H5.5 for HV01 cases with FSC and FSS. For HV10 with FSC, H5.5 showed a higher temperature distribution than H1.1. Conversely, for HV10 with FSS, the opposite trend was observed. The previous correlation overestimated the results of the present numerical simulation regarding the fire plume centerline temperature rise. It was speculated that mixing within the compartment affected the trend of fire plume centerline temperature rise.

1. 서 론

건축물에서 화재 시 발생하는 고온의 연기는 재실자의 피난 및 소방대원의 소화 활동을 저해하여 막대한 인적 및 물적 피해를 야기시킨다. 화재 시 발생하는 연기를 외부로 효과적으로 유출하기 위해서 수평 자연 개구부 설치를 고려할 수 있고, 수평 자연 개구부는 선박, 아트리움(atrium), 공연장, 물류 창고 등 대규모 공간의 건축물에 적용될 수 있다(1,2).
수평 개구부가 설치된 구획실에서 개구부 및 화원 조건을 변경하여 다양한 연구(3-10)가 수행되었다. Zhang 등(3)은 수평 개구부가 설치된 A60 선박 구조물의 엔진실(engine room) 화재에 대하여 축소 모형 실험을 수행하였다. 화원의 크기 및 위치를 변경하였으며, 도출한 결과를 바탕으로 열방출률과 유효 열전달 계수 간의 상관관계를 제안하였다. Park과 Lee(4)는 수평 개구부 면적과 화원 조건(위치 및 크기)에 따른 구획실 내 온도 분포, 개구부 유동의 특성(즉, 속도, 질량 유량, 유동 양식(flow pattern))을 실험을 통해 측정하였다. 또한, 실험 결과와 Chen(5)의 연기 유출 면적 상관식을 바탕으로 경험적 상관식을 제안하였고, Epstein(6)의 교환 유동 질량 유량(exchange volume flow rate) 상관식과 실험 결과를 비교하였다. Li 등(7)은 수평 개구부가 화원 바로 위에 존재할 때, 개구부 크기 및 화원의 면적이 질량 손실률, 구획실 온도, 개구부 유동에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 개구부 조건에 따른 화염의 형상을 비교하였으며, 개구부를 통과하는 유동 양식은 개구부 크기에 지대한 영향을 받는 것으로 보고하였다. Li 등(8)은 수평 개구부가 화원과 멀리 떨어진 곳에 위치할 때, 개구부 및 화원 면적에 따른 질량 손실률, 온도 분포, 화염 형상을 실험을 통해 측정하였다. 구획실 온도 분포에 대해 개구부 면적의 영향은 미미하였지만, 화원 면적의 영향은 큰 것으로 나타났다. Chow와 Li(9)는 수평 개구부가 설치된 아트리움에서 개구부 유동을 검토하였으며, 개구부 유동 양식은 임계 압력 차이(critical pressure difference)에 따라 단방향 또는 양방향 유동으로 구분되는 것으로 보고하였다. Park과 Lee(10)는 공연장 무대부를 축소하여 전산시뮬레이션을 구축하였고, 자연 배연구의 면적 및 화원의 위치가 구획실 내부 온도 분포, 자연 배연구를 통과하는 유동 속도 및 질량 유량에 미치는 영향을 조사하였다. 측정한 축소 모형 결과를 바탕으로 상사 법칙을 이용해 실규모 화재 시 자연 배연구를 통한 유출 질량 유량을 검토하였다.
한편, 천장에 2개의 수평 개구부가 설치되어 있는 조건에 대한 연구(11,12)가 일부 수행되었다. Park과 Lee(11)는 2개의 수평 개구부 덕트 높이와 화원의 위치를 변경하여 전산시뮬레이션을 수행하였고, 온도 분포, 개구부 유동의 질량 유량 및 유동 양식을 검토하였다. 이후의 연구에서 Park과 Lee(12)는 2개의 천장 개구부가 설치된 구획실 화재에서 2개의 개구부 면적비가 개구부 유동 특성 및 온도 분포에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 연구 결과, 개구부 면적비와 화원의 위치가 개구부 유동 양식에 큰 영향을 미친다고 보고하였다.
수평 개구부가 설치된 구획실 화재에 대한 기존 연구에서는 특정한 크기의 구획실에서 개구부 조건(면적 및 위치 등)과 화원 조건(위치 및 열방출률 등)을 변화시켰다. 그러나 개구부 및 화원 조건 이외에 구획실 조건(예를 들면, 구획실 높이, 형태, 크기 등)도 화재 현상에 영향을 미치는 인자가 될 수 있고, 구획실 높이는 중요한 구획실 조건 중 하나이다. 즉, 구획실 높이 변화에 따라 구획실 내 온도 및 속도 분포, 화재 플룸(fire plume) 및 연기층 거동, 수평 개구부 유동 특성 등이 다양하게 나타날 수 있다. 또한, 수평 개구부가 설치된 구획실 화재 연구의 실제 적용 대상인 선박 내 엔진실, 아트리움, 공연장, 물류 창고 등은 비교적 높이가 높은 구획실 형상이다. 따라서 이러한 공간에서의 화재 현상을 예측하고 이해하기 위해서는 수평 개구부가 설치된 구획실 높이의 영향을 파악하는 연구가 수행될 필요가 있음에도 불구하고 이에 대한 연구가 수행된 적이 없는 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 기존에 Park(13)이 수행한 연구를 토대로, Park(13)의 구획실과 바닥 면적은 동일하지만 구획실의 높이는 5배 높은 수평 개구부가 설치된 구획실을 대상으로 전산시뮬레이션을 수행하였다. 본 전산시뮬레이션과 Park(13)의 연구 간 비교를 통해 구획실 높이, 화원 위치, 개구부 면적에 따른 개구부 유동의 질량 유량 및 속도 분포, 구획실 내 온도 분포를 분석하였다. 또한, 화재 플룸 중심선의 온도 상승(fire plume centerline temperature rise)에 대해 본 전산시뮬레이션과 Heskestad 플룸 이론(Heskestad plume theory)(14)의 예측 상관식을 비교하였고, 구획실 내 화재 플룸 중심선의 온도 상승의 경향을 검토하였다.

2. 전산시뮬레이션 조건 및 방법

본 연구에서는 기본적으로 Park(13)의 전산시뮬레이션을 토대로 전산시뮬레이션 조건 및 방법을 설정하였다. Park(13)은 수평 개구부가 설치된 2040 mm (폭) × 1000 mm (깊이) × 1100 mm (높이) 크기의 구획실을 대상으로 하였다. 본 연구에서는 구획실의 높이 영향을 검토하기 위하여 기존 연구(13)와 구획실 바닥 면적은 동일하지만 구획실의 높이를 5배 증가시켜 2040 mm (폭) × 1000 mm (깊이) × 5500 mm (높이) 크기의 구획실을 대상으로 전산시뮬레이션을 수행하였다.
Park(13)의 전산시뮬레이션 연구와 동일한 조건에서 개구부 면적 및 화원 위치 영향을 검토하였다. 본 연구의 전산시뮬레이션 조건을 Table 1에 정리하였다. 수평 개구부(horizontal vent, HV) 면적의 경우, 바닥 면적의 1% (140 mm × 140 mm)와 10% (450 mm × 450 mm)로 설정하였고, 각각의 경우를 HV01과 HV10로 명명하였다. 화원(fire source, FS) 위치의 경우, 구획실 바닥의 중앙과 측면에 배치하였고, 각각의 경우를 FSC, FSS로 명명하였다. 한편, 구획실의 높이가 1.1 m와 5.5 m인 경우를 각각 H1.1과 H5.5로 명명하였다. 열방출률(heat release rate, HRR)은 1.5 kW로 모든 조건에서 동일하게 설정하였다.
Table 1
Numerical Simulation Conditions
No. Cases HV Area (mm2) FS Location HRR (kW)
1 HV01&FSC 140 × 140 (1% of the Floor) Center 1.5
2 HV10&FSC 450 × 450 (10% of the Floor)
3 HV01&FSS 140 × 140 (1% of the Floor) Side
4 HV10&FSS 450 × 450 (10% of the Floor)
Figure 1에 본 연구의 전산시뮬레이션 개략도 및 온도 분포와 질량 유량 측정 위치를 나타내었다. 온도 분포는 총 4개의 온도 측정점 배열(thermocouple tree, TC)을 이용하여 측정하였고, 각각을 TC1∼TC4로 명명하였다. TC1∼TC3은 구획실 중앙으로부터 각각 860, 510, 340 mm 떨어진 위치에 설치되었고, TC4는 구획실 중앙에 설치되었다. TC1∼TC4의 경우 높이 200∼5400 mm 구간 내의 온도 분포를 높이 방향으로 200 mm 간격으로 27지점을 측정하였다. 따라서 총 108지점에서 온도를 측정하였다. 또한, 개구부 유동의 유출 및 유입 질량 유량이 측정되도록 설정하였다.
Figure 1
Schematic of numerical simulation and measurement locations of temperature and mass flow rate for H5.5.
kifse-37-6-31-g001.jpg
Figure 2에 개구부 유동의 속도 측정 위치를 나타내었다. 개구부의 수직 방향(z축 방향) 속도 성분인 W-velocity를 측정하였다. Figure 2(a)에 나타낸 HV01 조건의 경우 40 mm 간격으로 3지점(V5∼V7)에서 측정하였고, Figure 2(b)에 나타낸 HV10 조건의 경우 40 mm 간격으로 11지점(V1∼V11)에서 측정하였다. HV01과 HV10 조건 모두 개구부의 정중앙 측정 위치는 V6로 동일하다.
Figure 2
Measurement location of velocity distribution for HV01 and HV10.
kifse-37-6-31-g002.jpg
연료는 Park(13)의 연구를 바탕으로 메탄올(methanol)을 사용하였다. 시간에 따른 열방출률의 경우 화재성장률이 매우 빠름(ultrafast)인 시간 제곱 화재 모델(t-square fire model)(15)을 적용하였고, 1.5 kW에 도달한 후 일정하게 유지되는 조건으로 설정하였다. Figure 3에 시간에 따른 열방출률 변화를 나타내었고, 모든 조건에서 유사하게 나타남을 확인하였다. 한편, Figure 1에 나타낸 바와 같이 FSC 조건은 화원이 구획실 바닥 중앙에, FSS의 경우 화원이 구획실 중앙으로부터 820 mm 떨어진 곳에 위치한다.
Figure 3
HRR with time for all conditions.
kifse-37-6-31-g003.jpg
본 연구에서는 전산시뮬레이션을 위해 fire dynamics simulator (FDS, ver. 6.6.0)를 사용하였고, 정육면체 격자의 한 변의 크기는 0.01 m로 설정하였다. 총 격자 개수의 경우, H5.5를 대상으로 한 본 전산시뮬레이션은 12,804,480개이고, H1.1을 대상으로 한 기존 연구(13)는 3,144,960개이다. 본 연구에서는 600 s 동안 전산시뮬레이션을 실행하여 500∼600 s 구간의 데이터를 평균하여 사용하였고, 오차 막대(error bar)는 시간에 따른 표준편차를 의미한다.

3. 전산시뮬레이션 결과

3.1 개구부 유동의 질량 유량

Figures 4(a)4(b)에 각각 HV01 조건과 HV10 조건에 대한 개구부 유동의 질량 유량을 나타내었다. 모든 조건에서 유출 유동과 유입 유동이 동시에 나타나는 양방향 유동이 관찰되었고, 유출 질량 유량과 유입 질량 유량은 동일하였다. 본 논문에서는 질량 유량 측정 결과로 유출 질량 유량을 나타내었다.
Figure 4
Effects of compartment height and fire source location on mass flow rate passing through horizontal vent for HV01 and HV10.
kifse-37-6-31-g004.jpg
구획실 높이 영향의 경우, HV01 조건과 HV10 조건 모두에서, FSC 조건에서는 H1.1 조건이 H5.5 조건에 비해 질량 유량이 많은 것으로 나타났다. 즉, 구획실 높이 감소는 질량 유량을 증가시켰다. 이는 화원과 개구부가 비교적 가까운 H1.1 조건에서는 강한 화재 플룸이 개구부를 통해 바로 유출될 수 있기 때문으로 판단된다. 한편, FSS 조건의 경우, HV01 조건에서는 H5.5 조건이 H1.1 조건에 비해 질량 유량이 약간 많은 것처럼 측정되었으나 그 차이는 미미하였다. 그러나 FSS 조건의 HV10 조건에서는 H5.5 조건이 H1.1 조건보다 질량 유량이 많은 것으로 나타났다. 즉, 구획실 높이 증가는 질량 유량을 증가시켰다. 화원 위치 영향의 경우, H1.1 조건에서는, FSC 조건이 FSS 조건보다 질량 유량이 많은 것으로 나타났지만, H5.5 조건에서는, FSC 조건과 FSS 조건 간 질량 유량이 유사한 것으로 나타났다. 즉, H1.1 조건에서는 FSC 조건과 FSS 조건 간 질량 유량의 차이가 크지만, H5.5 조건에서는 질량 유량의 차이가 크지 않았다. 이는 화원 위치가 질량 유량에 미치는 영향이 H1.1 조건에서는 크지만, H5.5 조건에서는 미미함을 의미한다. 또한, 개구부 크기 영향의 경우, 동일한 화원 위치 및 구획실 높이 조건에서 HV10 조건이 HV01 조건에 비해 질량 유량이 많은 것으로 나타났다. 즉, 개구부 크기 증가는 질량 유량을 증가시켰다.
Figures 5(a)~5(d)와 Figures 6(a)~6(d)에 각각 HV01&FSC, HV10&FSC, HV01&FSS, HV10&FSS 조건에 대한 유동 속도 분포 및 온도 분포 가시화 결과를 나타내었다. 동일한 개구부 크기 조건에서, FSC 조건(Figures 5(a)5(b))에 비해 FSS 조건(Figures 5(c)5(d))에서 구획실 내 높은 위치에서의 화재 플룸 상승 속도가 더 빠른 것으로 관찰되었다. 또한, Figures 5(c), 5(d), 6(c), 6(d)에 나타낸 바와 같이, FSS 조건에서 화원이 위치하는 왼쪽에서는 고온의 화재 플룸으로 인한 상승 유동이 관찰되었고, 화원이 위치하지 않는 오른쪽에서는 하강 유동이 관찰되었는데 이러한 하강 유동은 개구부를 통해 유입되는 차가운 공기 때문으로 판단된다. 구획실 내 높은 위치에서의 빠른 화재 플룸 상승 속도와 구획실 내 상승 및 하강 유동은 개구부 유동의 질량 유량 증대와 밀접한 연관이 있다고 생각된다. H1.1 조건에서는 각 개구부 크기에서 FSC 조건의 질량 유량이 FSS 조건에 비해 많았으나, H5.5 조건에서는 앞서 언급한 유동 현상으로 인해 FSS 조건에서 질량 유량이 증대되어, FSS 조건과 FSC 조건 간 질량 유량 차이가 미미하거나, HV10 조건에서는 오히려 FSS 조건이 FSC 조건보다 질량 유량이 약간 많은 것과 같은 경향이 나타난 것으로 판단된다.
Figure 5
Visualization of velocity distribution in compartment of H5.5 under different horizontal vent area and fire source location conditions.
kifse-37-6-31-g005.jpg
Figure 6
Visualization of temperature distribution in compartment of H5.5 under different horizontal vent area and fire source location conditions.
kifse-37-6-31-g006.jpg

3.2 개구부 유동의 속도 분포

Figures 7(a)7(b)에 각각 HV01 조건과 HV10 조건에 대한 개구부 유동의 속도 분포 측정 결과를 나타내었다. 구획실 높이 영향의 경우, HV01 조건과 HV10 조건 모두, FSC 조건에서는 H1.1 조건이 H5.5 조건보다 유동 속도(특히 개구부 중앙에서)가 빠르게 나타났다. 즉, 구획실 높이 감소는 유동 속도(특히 개구부 중앙에서)를 증가시켰다. 하지만, FSS 조건에서는 H1.1 조건과 H5.5 조건의 유동 속도가 비교적 유사하게 나타났고, 이는 구획실 높이가 유동 속도에 미치는 영향이 크지 않음을 의미한다. 화원 위치 영향의 경우, H1.1 조건에서는 FSC 조건이 FSS 조건보다 유동 속도가 훨씬 빠른 것으로 나타났다. 하지만 H5.5 조건에서는 오차 막대를 고려할 때 FSC 조건과 FSS 조건 간 유동 속도 차이가 미미한 것으로 판단된다. 즉, H1.1 조건에서는 FSC 조건과 FSS 조건 간 속도 차이가 크게 나타난 반면, H5.5 조건에서는 속도 차이가 크지 않았다. 이는 화원 위치가 개구부 유동의 속도 분포에 미치는 영향이 H5.5 조건에 비해 H1.1 조건에서 더 크게 나타난다는 것을 의미한다.
Figure 7
Effects of compartment height and fire source location on velocity distribution of horizontal vent flow for HV01 and HV10.
kifse-37-6-31-g007.jpg
각 개구부 면적 조건에서, H1.1&FSC 조건에 대한 개구부 유동의 시간에 따른 속도 변동이 매우 크고 위치별 속도 분포의 불균일성이 큰 것으로 나타났다. 반면, 이외의 조건(H1.1 &FSS, H5.5&FSC, H5.5&FSS)의 개구부 유동에서는 비교적 시간에 따른 속도 변동이 작고 위치별 속도 분포가 균일한 것으로 관찰되었다.

3.3 구획실 내 온도 분포

Figure 8에 HV01 조건의 TC1∼TC3에서 측정한 온도 분포를 나타내었다. H1.1 조건과 H5.5 조건 간 비교를 위해 y축은 정규화된 측정 높이(normalized measurement height)로 나타내었고, 이는 측정 위치를 구획실 높이로 나눈 값을 의미한다. FSC 조건과 FSS 조건 모두에서, H1.1 조건이 H5.5 조건보다 구획실 내 온도 분포가 높은 것으로 나타났다. 즉, 구획실 높이 감소가 구획실 내 온도 분포를 증가시켰다. HV01 조건의 경우, 개구부 유동의 질량 유량이 적으므로(Figure 4(a)), 이로 인한 열손실의 영향이 작을 것으로 생각된다. 이러한 상황에서 동일한 열방출률 대비 구획실의 크기가 H5.5 조건이 H1.1 조건보다 크므로 H5.5 조건에서 구획실 내 온도 분포가 더 낮게 나타나는 것으로 판단된다.
Figure 8
Effects of compartment height and fire source location on temperature distribution of TC1~TC3 in compartment of HV01.
kifse-37-6-31-g008.jpg
Figure 9에 HV10 조건의 TC1∼TC3에서 측정한 온도 분포를 나타내었다. Figure 8에 나타낸 HV01 조건과는 달리, HV10 조건의 경우, FSC 조건에서는 H5.5 조건이 H1.1 조건보다 구획실 내 온도 분포가 높게 나타났으나, FSS 조건에서는 반대로 H1.1 조건이 H5.5 조건보다 구획실 내 온도 분포가 높게 나타났다. 즉, FSC 조건에서는 구획실 높이 증가가 구획실 내 온도 분포를 증가시켰으나 FSS 조건에서는 감소시켰다. HV10 조건의 경우 개구부 유동의 질량 유량이 많고(Figure 4(b)), 이로 인한 열손실이 구획실 내 온도 분포에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이를 토대로 판단할 때, FSC 조건의 경우, H1.1 조건이 H5.5 조건보다 개구부 유동의 질량 유량이 많으므로(Figure 4(b)), H1.1 조건이 H5.5 조건에 비해 구획실 크기가 작음에도 불구하고, H1.1 조건이 H5.5 조건에 비해 구획실 내 온도 분포가 더 낮은 것으로 판단된다. 반면, FSS 조건의 경우, H5.5 조건이 H1.1 조건보다 개구부 유동의 질량 유량이 많고(Figure 4(b)) 구획실 크기가 크므로, 구획실 온도 분포는 H5.5 조건이 더 낮게 측정된 것으로 판단된다. 한편, Figures 89를 토대로 볼 때, H1.1&HV10 조건에서 화원 위치가 구획실 내 온도 분포에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 관찰되었다.
Figure 9
Effects of compartment height and fire source location on temperature distribution of TC1~TC3 in compartment of HV10.
kifse-37-6-31-g009.jpg

3.4 H5.5&FSC 조건의 구획실 내 화재 플룸 중심선의 온도 상승

구획실 내 화재 플룸이 존재할 때, 높이에 따른 화재 플룸 중심선의 온도는 화재 플룸의 특성 및 구획실 내 화재 현상의 이해를 위해 필요한 중요한 인자(factor)이다. 본 연구에서는 H5.5&FSC 조건의 TC4에서 측정한 높이에 따른 온도 분포 측정 결과를 토대로 구획실 내 화재 플룸 중심선의 온도 변화를 검토하였다.
Figure 10에 H5.5&FSC 조건에서 측정한 화재 플룸 중심선의 온도 상승 결과를 나타내었다. 본 전산시뮬레이션에서 화재 플룸 중심선의 온도 상승(∆Tg,exp)은 식(1)과 같이 각 측정 높이에 대하여 화재 플룸 중심선에 설치된 TC4에서의 온도와 화재 플룸 주위에 설치된 TC1~TC3에서의 평균 온도의 차이로 정의하여 표현되었다.
(1)
ΔTg,exp=TTC4(TTC1+TTC2+TTC3)/3
Figure 10
Fire plume centerline temperature rise with height for H5.5&FSC.
kifse-37-6-31-g010.jpg
여기서TTC1, TTC2, TTC3, TTC4는 각각 TC1, TC2, TC3, TC4의 동일한 높이에서 측정한 온도를 나타낸다. 한편, Figure 10에 식(2)에 나타낸 Heskestad 플룸 이론(14)의 화재 플룸 중심선의 온도 상승(∆Tg) 상관식에 대한 예측 결과를 함께 나타내었다.
(2)
ΔTg=9.1(Tgcp2ρ2)1/3Q˙c2/3(zz0)5/3
식(2)의 T, ρ, cp는 주위 공기의 온도, 밀도, 비열을 의미한다. 본 연구에서는 화재 플룸 주위에 설치된 TC1~TC3의 온도 측정 결과를 토대로T, ρ, cp를 결정하였고, 주위 온도가 20, 30, 40 °C일 때 식(2)에 의한 화재 플룸 중심선의 온도 변화 예측 결과를 Figure 10에 나타내었다. 또한 식(2)에서 g는 중력 가속도, z는 ℃화원으로부터의 높이를 의미하고, Q˙c는 대류 열방출률(convective heat release rate)로 총 열방출률(Q˙)에 연소 효율(combustion efficiency)을 곱한 값이다. 본 연구에서는 연소 효율을 0.7(16)로 가정하였다. 한편, z0는 가상 원점(virtual origin)을 나타내고, 식(3)(14)을 이용하여 계산된다.
(3)
z0=0.083Q˙2/51.02D
여기서, D는 화원의 직경을 의미한다.
Figure 10에 나타낸 바와 같이 본 전산시뮬레이션 결과, 측정 높이가 낮은 구간에서는 HV01 조건이 HV10 조건에 비해 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 더 높았으나 일정 높이 이상의 구간에서는 HV01 조건과 HV10 조건 간 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 유사하게 관찰되었다. 하지만 오차 막대를 고려할 때 개구부 면적이 화재 플룸 중심선의 온도 상승에 미치는 영향은 미미한 것으로 판단된다. 한편, 기존 상관식(14)의 경우, 주위 온도가 20, 30, 40 °C로 변화함에 따라 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 증가하는 것으로 예측되었으나 그 차이는 매우 작은 것으로 나타났다. 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 상관식(14)의 예측 결과 모두, 측정 높이가 낮은 구간에서는 측정 높이가 증가함에 따라 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 급격하게 감소하였으나, 일정 높이 이상의 구간에서는 측정 높이 증가에 따른 화재 플룸 중심선의 온도 상승 변화율이 감소하였다. 한편, 일정 높이 이상의 구간에서 기존 상관식(14)은 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 지속적으로 감소하는 것으로 예측하였다. 반면, 본 전산시뮬레이션 결과의 경우, 측정 높이가 변화하여도 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 거의 일정한 것으로 나타났고, 화재 플룸 중심선의 온도 상승의 값이 매우 작은 것으로 측정되었다. 이는 구획실 내 화재 플룸이 존재할 경우, Figures 5(a), 5(b), 6(a), 6(b)에 나타낸 바와 같이 해당 높이 구간에서 혼합(mixing)이 활발하게 일어나기 때문으로 생각된다. 전체적으로 기존 상관식(14)은 본 전산시뮬레이션 결과를 과대 예측하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 Park(13)의 연구 결과와의 비교를 위해 제한적인 조건에서 전산시뮬레이션이 수행되었다. 하지만 수평 개구부가 설치되는 실제 건축물과 해당 건축물 관련 화재 현상에 대한 일반화를 고려할 때, 다양한 화원 조건(높은 열방출률, 화원 위치 및 크기 등), 구획실 조건(구획실 바닥 면적, 높이 등) 및 수평 개구부 조건(위치, 크기, 형태, 개수 등)에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 한편, 구획실 내 속도 및 온도 분포, 수평 개구부 유동 특성(유동 양식, 속도 분포 및 질량 유량)은 서로 밀접한 관계가 있다고 생각된다. 추후 구획실 내 유동 분포(예를 들면, 화재 플룸 및 주위 유동 특성, 구획실 내 상승 및 하강 흐름 거동 등)와 개구부 유동의 속도 분포(예를 들면, Figure 2에서 개구부의 y축 방향에 따른 속도 분포, 개구부 모서리 부근에서의 속도) 등에 대한 추가적인 측정 및 상세 분석이 수행될 필요가 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 수평 개구부가 설치된 구획실에서 구획실의 높이가 개구부 유동의 질량 유량 및 속도 분포, 구획실 내 온도 분포에 미치는 영향을 검토하기 위하여 전산시뮬레이션을 수행하였다. Park(13)의 기존 연구(H1.1)를 바탕으로 구획실의 높이를 5배(H5.5) 증가시켰고, 개구부 면적을 바닥 면적의 1% (HV01)와 10% (HV10), 화원의 위치를 바닥의 중앙(FSC)과 측면(FSS)으로 변경시켰다. 또한, 화재 플룸 중심선의 온도 상승에 대한 기존 Heskestad 플룸 이론 상관식(14)과 본 연구 결과를 비교하였다. 아래에 본 연구의 주요 결과를 요약하였다.
  • (1) HV01 조건과 HV10 조건 모두에서, FSC 조건에서는 구획실 높이 감소가 질량 유량을 증가시켰다. FSS 조건의 경우, HV01 조건에서는 H5.5 조건이 H1.1 조건에 비해 질량 유량이 약간 많은 것처럼 측정되었으나 그 차이는 미미한 반면, HV10 조건에서는 구획실 높이 증가가 질량 유량을 증가시켰다. 한편, H1.1 조건에서는, FSC 조건이 FSS 조건보다 질량 유량이 많은 것으로 나타났지만, H5.5 조건에서는, FSC 조건과 FSS 조건 간 질량 유량이 유사한 것으로 나타났다.

  • (2) HV01 조건과 HV10 조건 모두, FSC 조건에서는 구획실 높이 감소가 유동 속도를 증가시켰지만, FSS 조건에서는 구획실 높이가 유동 속도에 미치는 영향이 크지 않았다. H1.1 조건에서는 FSC 조건이 FSS 조건보다 유동 속도가 훨씬 빠른 것으로 나타났지만, H5.5 조건에서는 FSC 조건과 FSS 조건 간 유동 속도 차이가 미미한 것으로 나타났다. 한편, H1.1&FSC 조건의 개구부 유동에서 시간에 따른 속도 변동이 매우 크고 위치별 속도 분포의 불균일성이 큰 것으로 나타났다.

  • (3) HV01 조건의 경우, FSC 조건과 FSS 조건 모두에서, 구획실 높이 증가는 구획실 내 온도 분포를 감소시켰는데, 이는 구획실 높이 증가로 인해 구획실의 크기가 증가하기 때문으로 판단된다. HV10 조건의 경우, FSC 조건에서는 구획실 높이 증가가 구획실 내 온도 분포를 증가시켰는데, 이는 구획실 높이 증가로 인한 개구부 유동의 질량 유량 감소 때문으로 생각된다. FSS 조건에서는 구획실 높이 증가가 구획실 내 온도 분포를 감소시켰는데, 이는 구획실 높이 증가로 인한 개구부 유동의 질량 유량 증가와 구획실 크기 증가 때문으로 판단된다. 한편, H1.1&HV10 조건에서 화원 위치가 구획실 내 온도 분포에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 관찰되었다.

  • (4) H5.5&FSC 조건의 구획실 내 화재 플룸 중심선의 온도 상승에 대해, 기존 Heskestad 플룸 이론 상관식(14)은 본 전산시뮬레이션 결과를 과대 예측하는 것으로 나타났다. 일정 높이 이상의 구간에서 기존 상관식(14)은 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 지속적으로 감소하는 것으로 예측하였다. 반면, 본 전산시뮬레이션 결과의 경우, 측정 높이가 변화하여도 화재 플룸 중심선의 온도 상승이 거의 일정한 것으로 나타났고, 화재 플룸 중심선의 온도 상승의 값이 매우 작은 것으로 측정되었는데 이는 해당 높이 구간에서 혼합이 활발하게 일어나기 때문으로 생각된다.

후 기

이 연구는 소방청 및 과학기술정보통신부가 출연하는 국민소방협력 초기대응 현장지원 기술개발사업의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행되었음(과제번호: 20016433). 이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2019R1F1A1062867).

References

1. J Zhang, S Lu, C Li and R. K K. Yuen, “Vent Location Impacts on Building Compartment Fire under Natural Roof Ventilation”, APCBEE Procedia, Vol. 9, pp. 360-364 (2014), https://doi.org/10.1016/j.apcbee.2014.01.063.
crossref
2. L Kerrison, E. R Galea and M. K Patel, “A Two-dimensional Numerical Investigation of the Oscillatory Flow Behaviour in Rectangular Fire Compartments with a Single Horizontal Ceiling Vent”, Fire Safety Journal, Vol. 30, No. 4, pp. 357-382 (1998), https://doi.org/10.1016/S0379-7112(97)00042-8.
crossref
3. J Zhang, S Lu, C Li and R. K K. Yuen, “Performance of Overall Heat Transfer Coefficient and Exploring Heat Transfer Through the Ceiling Vent of Compartment Fire in Ship Structures with A60 Constructions”, Ships and Offshore Structures, Vol. 10, No. 3, pp. 328-334 (2015), https://doi.org/10.1080/17445302.2013.876166.
crossref
4. M. Y Park and C. Y Lee, “Experimental Investigation on Effect of Fire Source Location on Compartment Fire Phenomena with a Single Natural Ceiling Vent”, Ships and Offshore Structures (Published Online:09 Aug 2023), https://doi.org/10.1080/17445302.2023.2244189.
crossref
5. X Chen, “Investigation of Horizontal Vent Flow Behavior Coupling with Fire Behavior in a Ceiling Vented Enclosure”, Doctoral's Thesis, City University of Hong Kong, (2015).

6. M Epstein, “Buoyancy-driven Exchange Flow Through Small Openings in Horizontal Partitions”, Journal of Heat Transfer, Vol. 110, No. 4a, pp. 885-893 (2023), https://doi.org/10.1115/1.3250589.
crossref
7. J. M Li, J. Q Zhang, Q Li, B. S Zhang and Y Jiang, “Combustion Phenomena of Pool Fire in a Ceiling Vent Compartment:The Vent Right above the Fire Source”, Procedia Engineering, Vol. 211, pp. 358-364 (2018), https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.12.023.
crossref
8. Q Li, J. Q Zhang, J. M Li, B. S Zhang and Y Jiang, “Combustion Phenomena of Pool Fire in a Ceiling Vent Compartment:The Vent Far Away from the Fire Source”, Procedia Engineering, Vol. 211, pp. 388-394 (2018), https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.12.027.
crossref
9. W. K Chow and J Li, “On the Bidirectional Flow Across an Atrium Ceiling Vent”, Building and Environment, Vol. 46, No. 12, pp. 2598-2602 (2011), https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2011.06.018.
crossref
10. M. Y Park and C. Y Lee, “Numerical Investigation on Fire of Stage in Theater:Effects of Natural Smoke Vent Area and Fire Source Location”, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 37, No. 1, pp. 1-11 (2022), https://doi.org/10.14346/JKOSOS.2022.37.1.1.
crossref
11. Y. M Park and C. Y Lee, “Effects of Duct Height and Fire Location on Fire Phenomena of Enclosure with Two Horizontal Vents Installed on Ceiling”, International Journal of Fire Science and Engineering, Vol. 36, No. 4, pp. 56-69 (2022), https://doi.org/10.7731/KIFSE.1b44ea08.
crossref
12. Y. M Park and C. Y Lee, “Effect of Vent Area Ratio on Vent Flow Characteristics and Temperature Distribution in a Compartment Fire with Two Ceiling Vents”, International Journal of Fire Science and Engineering, Vol. 37, No. 1, pp. 9-21 (2023), https://doi.org/10.7731/KIFSE.72cdba0d.
crossref
13. M. Y Park, “Experimental and Numerical Investigation on Effects of Single Horizontal Opening and Fire Source Conditions on Fire Phenomena in Enclosure”, Master's Thesis, Pukyong National University, (2022).

14. G Heskestad, “Engineering Relations for Fire Plumes”, Fire Safety Journal, Vol. 7, No. 1, pp. 25-32 (1984), https://doi.org/10.1016/0379-7112(84)90005-5.
crossref
15. B Karlsson and J Quintiere, “Enclosure Fire Dynamics”, CRC Press, Boca Raton, (1999).
crossref
16. P. J DiNenno, D Drysdale, C. L Beyler, W. D Walton, L. P Richard, J. R Hall and J. M Watts, “SFPE Handbook of Fire Protection Engineering”, 3th Edition, National Fire Protection Association, Quincy, Massachusetts, (2002).

TOOLS
Share :
Facebook Twitter Linked In Google+ Line it
METRICS Graph View
  • 0 Crossref
  •    
  • 793 View
  • 23 Download
Related articles in Fire Sci. Eng.


ABOUT
BROWSE ARTICLES
EDITORIAL POLICY
AUTHOR INFORMATION
Editorial Office
Room 906, The Korea Science Technology Center The first building, 22, Teheran-ro 7 Gil, Gangnam-gu, Seoul, Republic of Korea
Tel: +82-2-555-2450/+82-2-555-2452    Fax: +82-2-3453-5855    E-mail: kifse@hanmail.net                

Copyright © 2024 by Korean Institute of Fire Science and Engineering.

Developed in M2PI

Close layer
prev next