1. 서 론
전국 화재통계자료(1)에 따르면, 2019년에서 2023년 사이에 발생한 화재는 연간 평균 4만여 건으로, 이 중에서 주택이나 근린생활시설 등에서 발생한 화재가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이러한 건축물은 다양한 크기 및 조건의 구획실로 구성되어 있어서, 전통적인 화재역학 분야에서 구획실 화재 현상에 대한 다양한 연구가 수행되었다. 하지만 기존 대부분의 연구에서는 구획실에 물건이 존재하지 않는 조건에서의 연구가 수행되었다. 그러나 실제 대부분의 구획실에는 다양한 형태의 물건(예를 들면, 전자제품, 가구, 칸막이 등)이 존재한다. 이러한 물건과 화원 간 상대적인 위치는 구획실 내 화재 현상에 지대한 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이에 대한 연구는 거의 수행된 바가 없다. 실용적인 측면을 고려할 때, 구획실 내 물건과 화원 간 상대적인 위치가 화재 현상에 미치는 영향에 대한 화재역학적 분석이 수행될 필요가 있고, 해당 연구 결과는 화재조사 분야와 같은 화재 및 소방 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
화원 주위에 물건이 존재할 때 화원과 물건 간 상대적인 위치가 화재 현상에 미치는 영향에 대한 기존 연구는 찾기가 어려웠다. 그러나 구획실 내 화원 위치 또는 화원과 구획실 벽면 간 거리가 구획실 화재 현상에 미치는 영향에 대한 연구는 일부 수행된 바 있다. Steckler 등(2)은 55개의 조건에 대해 실규모 풀화재(pool fire) 실험을 수행하였다. 실험을 통해 개구부 형태, 화원의 열방출률 및 위치가 구획실 내 온도 분포, 연기층 높이 및 온도, 개구부 유동의 속도 분포 및 질량 유량 등에 미치는 영향을 검토하였다. 화원이 구획실 벽면이나 구석 부근에 위치하는 조건이 구획실 중앙에 위치하는 조건에 비해 개구부 유동의 질량 유량이 적은 것으로 나타났다. Parkes와 Fleischmann(3)은 구획실 내 화원 위치와 개구부 형태가 화원의 열방출률에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. 화원이 개구부 근처에 위치하는 경우가 구획실 중앙이나 안쪽에 위치하는 경우에 비해 열방출률이 낮은 것으로 나타났다. Tlili 등(4)은 전산해석을 통해, 화원 위치(바닥에서의 위치 및 바닥으로부터의 높이)에 따른 구획실 내 유동 분포와 개구부 유동의 질량 유량을 분석하였다. 화원 위치에 따른 개구부 유동의 질량 유량 예측 상관식을 제안하였고, Steckler 등(2)의 실험 결과와 비교하였다. 또한, Tlili 등(5)은 기존 연구(4)를 토대로 추가적인 연구를 수행하여, 화원 위치와 중성대 간 예측 상관식을 제안하였다. Lemmertz 등(6)은 화원 위치에 따른 연기층 온도에 대한 전산해석 연구를 수행하였다. 화원이 구석에 있는 경우가 중앙이나 벽면에 있는 경우보다 연기층 평균 온도가 높았고, 화원 높이가 높아짐에 따라 연기층 온도가 증가하였다. Helfenstein 등(7)은 Nakaya 등(8)의 실험 연구를 토대로, 2개의 구획실이 수직 개구부를 통해 연결되어 있을 때 화원 위치에 따른 연기층 온도 변화를 전산해석을 통해 검토하였고, 화원 위치가 중앙, 벽면 및 구석 부근일 때 연기층 온도를 예측하기 위한 상관식을 제안하였다. Yun과 Hwang(9)은 구획실의 측면 개구부와 화원 간 거리가 일정한 조건에서 화원과 구획실 벽면 간 거리가 화재성장률, 열방출률, 온도 분포, 열유속 분포 등과 같은 화재 현상에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 이와 같이 구획실 내 화원 위치 또는 화원과 구획실 벽면 간 거리에 따른 화재 현상에 대한 연구는 일부 보고되었으나, 구획실 내 화원과 물건 간 상대적 위치에 따른 화재 현상을 분석한 연구는 수행되지 않았다.
본 연구에서는 구획실 내 존재하는 물건과 화원 간 상대적인 위치가 구획실 화재 현상에 미치는 영향을 검토하기 위해 전산해석을 수행하였다. 전산해석 방법의 신뢰성을 확인하기 위해 Steckler 등(2)의 실험 연구에서 대상으로 한 물건이 없는 구획실 화재 조건을 토대로 전산해석을 구축 및 수행하였고, 기존 실험(2)과 본 전산해석 결과를 비교하였다. 이후 동일한 구획실 화재 조건에 물건을 모사하기 위한 벽 형태의 장애물을 적용하였고, 화원이 구획실 중앙에 있을 때 벽 형태의 장애물 위치에 따른 화재 플룸(fire plume)의 거동, 구획실 내 온도 및 속도 분포, 연기층 두께 및 온도, 개구부 유동의 질량 유량 등을 분석하였다.
2. 전산해석 방법 및 조건
본 연구에서는 전산해석을 위해 fire dynamics simulator (FDS, ver. 6.6.0)를 이용하였고, 구축한 전산해석의 신뢰성을 확인하기 위해 기존 실험 연구(2)의 구획실 및 조건에 대한 전산해석을 수행하여 기존 실험 결과(2)와 본 전산해석 결과를 비교하였다. Figure 1에 본 연구에서 대상으로 한 구획실의 개략도를 나타내었다. 기존 실험 연구(2)는 구획실 내 장애물이 없는 조건으로, 구획실 크기는 3.00 m (width) × 3.00 m (depth) × 2.23 m (height)이고, 측면에 0.74 m (width) × 1.83 m (height) 크기의 수직 개구부 1개가 설치되어 있다. 기존 연구(2,10)를 토대로, 벽면 및 천장은 두께 0.1 m의 세라믹 섬유 단열 보드로 설정하였다. 그리고 전산해석의 계산 영역 중 바닥을 제외하고는 모두 개방 조건(open condition)으로 설정하였다.
화원과 온도 및 유속 측정 위치는 기존 실험 연구(2)를 토대로 다음과 같이 설정하였고, 이에 대한 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 화원의 경우, 위치는 구획실 바닥의 중앙, 직경은 0.3 m, 연료는 메탄(methane), 열방출률은 62.9 kW로 설정하였다. 구획실 내 온도 분포를 측정하기 위해, 구획실 내 벽면으로부터 0.305 m 떨어진 구석 부근 지점(Figure 2의 Position ①)에, 구획실 바닥으로부터 높이 방향으로 0.057 m 지점에서 2.109 m 지점까지의 구간에 0.114 m 간격으로 총 19개의 온도 측정점을 설정하였다. 또한, 개구부를 통과하는 유동의 온도와 속도 분포를 측정하기 위해, 개구부 너비의 중심선(Figure 2의 Position ②)을 따라 구획실 바닥으로부터 높이 방향으로 0.057 m 지점에서 1.767 m 지점까지의 구간에 0.114 m 간격으로 총 16개의 온도 및 속도 측정점을 설정하였다. 그리고 개구부 전체 면적에 대해 개구부를 통과하는 유동의 질량 유량을 측정할 수 있도록 설정하였다.
Figure 3에 벽 형태의 장애물 위치가 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향을 검토하기 위한 장애물 위치 조건 및 전산해석 형상(예)을 나타내었다. 구획실 내 장애물이 있는 조건의 경우, 구획실 내에 장애물이 설정된다는 것을 제외하면, Figures 1과 2에 나타낸 구획실 내 장애물이 없는 조건에 대한 전산해석 형상 및 측정 조건과 동일하다. Figure 3(a)에 나타낸 바와 같이 구획실 내 장애물 위치 조건은 6가지로, 각 장애물 위치 조건에 대해 0.74 m (width) × 0.01 m (depth) × 1.83 m (height) 크기의 벽 형태의 장애물이 설정되어 전산해석이 수행되었다. 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면으로부터 개구부 방향으로 1개의 장애물이 설치된 조건을 각각 OL1 (obstacle location 1), OL2, OL3, OL4, OL5, OL6으로 명명하였다. 이 경우, OL1, OL2, OL3은 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면과 화원 사이에 장애물이 위치하는 조건이고, OL4, OL5, OL6은 화원과 개구부 사이에 장애물이 위치하는 조건이다. Figure 3(b)에 OL2 조건에 대한 전산해석 형상(예)을 나타내었다. 한편, 구획실 내 장애물이 없는 조건은 None으로 명명하였다.
격자 크기는 National Institute of Standards and Technology/ Nuclear Regulatory Commission (NIST/NRC)에서 제안한 플룸 해상도 지수(plume resolution index, D*/ δx)(11) 범위인 5∼11을 고려하여 결정하였다. 여기서, D*는 식(1)과 같이 정의되는 특성 화재 직경(characteristic fire diameter), δx는 격자 한 변의 길이를 의미한다.
여기서, Q̇과 g는 각각 열방출률과 중력가속도를 의미하고, ρ∞, Cp, T∞ 는 각각 주변 공기의 밀도, 비열, 온도를 의미한다. 본 연구에서는 전산해석의 신뢰성을 확인하기 위해, 한 변의 길이가 0.032 m, 0.04 m, 0.05 m인 정육면체 형태의 격자를 이용하여 전산해석을 수행하였고, 이에 대한 결과를 기존 실험 결과(2)와 비교하였다. 각 격자 크기에 따른 플룸 해상도 지수는 각각 9.90, 7.92, 6.76이고, 전체 격자 개수는 각각 1,562,500개, 800,000개, 486,000개이다.
한편, 본 연구의 전산해석 시간은 기존 실험 연구(2)에서와 동일하게 7,200 s로 설정하였다. 전산해석 결과를 분석하기 위해, 정상상태 구간이라고 판단되는 1,800∼7,200 s 구간에서 측정된 데이터의 평균값을 이용하였고, 결과 그래프에서 오차막대는 해당 시간 구간에서의 표준편차를 의미한다.
3. 전산해석 결과 및 분석
3.1 구획실 내 장애물이 없는 조건: 기존 실험 결과(2) 와의 비교
본 연구에서 구축한 전산해석의 신뢰성을 확인하기 위해 구획실 내 장애물이 없는 경우에 대해 3가지 격자 크기(0.032 m, 0.04 m, 0.05 m)를 이용하여 전산해석을 수행하였다. 이를 토대로 Figure 2의 Position ②에서 측정한 개구부 유동의 온도와 속도 분포에 대해 본 연구의 전산해석 결과와 기존 실험 연구(2)의 결과를 Figures 4(a)와 4(b)에 각각 나타내었다.
Figure 4
Comparison of temperature and velocity profiles with measurement height along centerline of opening between present numerical simulation and previous experimental(2) data.
Figures 4(a)와 4(b)에 나타낸 바와 같이 개구부 하부에서는 온도가 낮고 외부에서 구획실 내부로 유입(속도가 음수)되는 유동이 나타났고, 개구부 상부에서는 온도가 높고 구획실 내부에서 외부로 유출(속도가 양수)되는 유동이 나타났다. 이러한 온도 및 속도 분포 경향은 본 전산해석과 기존 실험 결과(2)에서 동일하게 관찰되었고, 본 전산해석의 3가지 격자 크기가 기존 실험 결과를 잘 예측하고 있는 것으로 판단되었다. Figure 4를 토대로 본 연구에서 구축한 전산해석의 신뢰성을 확인할 수 있었고, Figure 4에 나타낸 비교 결과와 전산해석에 소요되는 시간 등의 현실적인 상황을 고려하여 구획실 내 장애물이 있는 경우에 대한 전산해석에서는 격자 크기를 0.05 m로 적용하였다.
3.2 구획실 내 장애물이 있는 조건: 장애물의 위치 영향 검토
Figure 5에 구획실 내 장애물 위치가 화재 플룸의 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 온도 분포 가시화 결과를 나타내었다. 비교를 위해 구획실 내 장애물이 없는 조건에 대한 가시화 결과를 함께 나타내었다. Figure 5(a)에 나타낸 바와 같이 구획실 내 장애물이 없는 조건에서는 화재 플룸이 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 쪽으로 기울어지는 것이 관찰되었는데, 이는 개구부를 통해 유입된 유동의 영향 때문이다. 이와 유사하게 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면과 화원 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL1∼OL3에서도 Figures 5(b)∼5(d)에 나타낸 바와 같이 화재 플룸이 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 쪽으로 기울어지는 것으로 나타났다. 반면, 화원과 개구부 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL4∼OL6에서는 Figures 5(e)∼5(g)에 나타낸 바와 같이 화재 플룸이 개구부 쪽으로 기울어지는 것이 관찰되었다. OL4∼OL6은 장애물이 화재 플룸과 개구부 사이에 위치하여 개구부를 통해 유입되는 유동이 화재 플룸에 직접적으로 접근하는 것을 막고 있는 조건이다. 이 경우, 개구부를 통해 유입되는 유동은 장애물 측면을 통해 구획실 내로 유입되고, 유입된 유동은 구획실 공간에 의해 구속되어 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 쪽에서 개구부 쪽으로 이동하므로, 화재 플룸이 개구부 쪽으로 기울어지는 것으로 판단된다. 또한, 구획실 내 장애물이 있는 경우, 화재 플룸의 거동은 앞서 언급한 개구부 유동의 영향뿐 아니라 장애물이 위치한 쪽에서 화재 플룸으로의 혼입(entrainment)이 제한되는 효과에 의해서도 영향받을 것으로 생각된다. 즉, 장애물, 화원, 개구부 간 상대적인 위치가 개구부를 통해 유입되는 유동과 화재 플룸으로의 혼입에 영향을 미치고, 이러한 요인들에 의해 화재 플룸의 거동이 영향받는 것으로 판단된다.
Figure 5
Visualization of temperature distribution in compartment without (None) and with (OL1~OL6) obstacle.
Figure 6에 구획실 내 장애물 위치가 Figure 2의 Position ①에서 측정한 높이에 따른 온도 분포에 미치는 영향에 대한 전산해석 결과를 나타내었다. 비교를 위해 구획실 내 장애물이 없는 조건의 결과를 함께 나타내었다. 모든 조건에서 구획실 바닥으로부터 측정 높이가 높아짐에 따라 온도가 상승하는 경향이 관찰되었다. 그러나 동일한 측정 높이에서의 온도는 장애물 위치에 따라 다른 것으로 나타났고, 이는 장애물 위치가 구획실 내 온도 분포에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
Figure 6
Temperature profile with measurement height in compartment without (None) and with (OL1~OL6) obstacle.
여기서, Hr은 구획실 바닥에서 천장까지의 높, Hi 는 연기층 높이, Tl은 구획실 내 하부 온도, Tu는 구획실 내 상부(연기층) 온도를 나타낸다.
Figure 7에 장애물 위치별 구획실 내 연기층 두께를 비교하여 나타내었다. 장애물이 있는 조건은 장애물이 없는 조건에 비해 연기층이 얇은 것으로 나타났다. 한편, 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면과 화원 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL1∼OL3 중에서 OL3에서 연기층이 가장 얇았고, OL2, OL1 순서로 연기층이 두꺼워졌다. 또한, 화원과 개구부 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL4∼OL6 중에서 OL4에서 연기층이 가장 얇았고, OL5, OL6 순서로 연기층이 두꺼워졌다. 즉, 화원에서 장애물 위치가 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 또는 개구부 쪽으로 멀어짐에 따라 연기층이 두꺼워졌다.
Figure 8에 구획실 내 속도 분포 가시화 결과를 나타내었다. 장애물이 있는 조건에 비해 장애물이 없는 조건에서 구획실 내 상부의 유동 영역이 넓어지는 것으로 나타났다. 또한, 장애물이 있는 조건에서 화원으로부터 장애물 위치가 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 또는 개구부 쪽으로 멀어짐에 따라 상부 유동 영역이 넓어지는 것으로 관찰되었다. 이러한 상부 유동 영역의 확장은 연기층 두께가 두꺼워지는 경향과 일치하는 것으로, 이러한 경향은 Figure 5에 나타낸 온도 분포 가시화 결과에서도 확인할 수 있다.
Figure 8
Visualization of velocity distribution in compartment without (None) and with (OL1~OL6) obstacle.
Figure 9에 장애물 위치별 구획실 내 연기층 온도를 비교하여 나타내었다. 장애물이 있는 조건은 장애물이 없는 조건에 비해 연기층 온도가 대부분 높은 것으로 나타났다. 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면과 화원 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL1∼OL3 중에서 OL3에서 연기층 온도가 가장 높았고, OL2, OL1 순서로 연기층 온도가 감소하였다. 반면, 화원과 개구부 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL4∼OL6 중에서 OL6에서 연기층 온도가 가장 높았고, OL4, OL5 순서로 연기층 온도가 감소하였다. 즉, OL1∼OL5의 경우, 화원에서 장애물 위치가 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 또는 개구부 쪽으로 멀어짐에 따라 연기층 온도가 감소하였다. 그러나 OL6의 경우, 장애물 위치가 화원에서 가장 먼 조건이지만, 연기층 온도가 높은 것으로 나타났다.
Figure 9에 나타낸 장애물 위치에 따른 연기층 온도 경향을 분석하기 위해 Figure 10에 장애물 위치별 개구부 유동의 질량 유량을 비교하여 나타내었다. 구획실 내 장애물이 없는 조건에 대해서는 전산해석 결과와 함께 기존 예측 상관식(2)인 식(5)에 의한 예측값을 함께 나타내었다.
여기서, ṁg는 질량 유량, ρa는 공기 밀도, Ao는 개구부 면적, Ho는 개구부 높이, N은 중성대 높이, Ta는 구획실 주변 공기 온도, Tr은 구획실 내 연기층 온도를 의미한다. CD는 유 량계수로 본 연구에서는 0.7(13)로 적용하였다.
Figure 10에 나타낸 바와 같이, 장애물이 없는 조건에 대한 본 전산해석 결과와 식(5)를 통한 예측값이 유사한 것으로 나타났다. 또한, 장애물이 있는 조건은 장애물이 없는 조건에 비해 개구부 유동의 질량 유량이 적은 것으로 나타났다. 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면과 화원 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL1∼OL3 중에서 OL3에서 질량 유량이 가장 적었고, OL2, OL1 순서로 질량 유량이 증가하였다. 또한, 화원과 개구부 사이에 장애물이 위치하는 조건인 OL4와 OL5 중 OL4의 질량 유량이 OL5보다 적었다. 즉, OL1∼OL5의 경우, 장애물 위치가 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 또는 개구부 쪽으로부터 화원에 가까워짐에 따라 질량 유량이 감소하였는데, 이는 장애물이 화원에 가까워짐에 따라 화원으로 혼입되는 주위 기체의 양이 장애물에 의해 제한되기 때문으로 판단된다. 반면, OL6의 경우, 장애물 위치가 화원에서 가장 먼 조건이지만 질량 유량이 적은 것으로 나타났는데, 이는 장애물이 개구부에 근접하여 개구부 유동에 영향을 미치기 때문으로 추측된다.
Figures 9와 10을 토대로 볼 때, 구획실 내 연기층 온도가 높은 조건에서는 개구부 유동의 질량 유량이 적고, 연기층 온도가 낮은 조건에서는 개구부 유동의 질량 유량이 많은 것으로 나타났다. 이러한 경향은 다음과 같은 구획실 화재에 대한 열평형 관계식(14)으로 설명될 수 있다. 구획실 내 화재 시 발생하는 열방출률(Q˙)은 개구부를 통해 유출되는 고온의 가스 유동에 의한 열손실(q˙g,loss)과 고온의 가스와 구획실이 접하는 경계면을 통한 열손실 (q˙w,loss)의 합으로, 식(6)과 같이 단순화되어 표현(14)될 수 있다.
여기서, hk는 유효 열전달 계수,Aw는 연기층이 구획실과 접하는 면적을 의미한다. 그리고 식(6)을 고온 연기층 온도로 정리하면 식(7)과 같이 표현된다.
4. 결 론
본 연구에서는 측면 개구부가 있는 구획실 내 장애물 위치가 화재 현상에 미치는 영향을 전산해석을 통해 검토하였다. 장애물이 없는 구획실 화재에 대한 기존 실험 연구(2)에 대해 전산해석을 구축하여 수행하였고, 전산해석 결과와 기존 실험 결과(2) 간 비교를 통해 본 연구에서 구축한 전산해석의 신뢰성을 확인하였다. 이를 토대로 구획실 내에 OL1∼OL6의 6가지 위치 조건(OL1∼OL3은 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면과 화원 사이에, OL4∼OL6은 화원과 개구부 사이에 장애물이 위치하는 조건)에 1개의 벽 형태의 장애물이 존재할 때 각 장애물 위치에 따른 화재 현상을 검토하였다. 본 연구의 주요 결과를 아래에 정리하였다.
(1) OL1∼OL3에서는 화재 플룸이 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 쪽으로, OL4∼OL6에서는 화재 플룸이 개구부 쪽으로 기울어졌는데 이는 장애물이 개구부 유동 및 화재 플룸으로의 혼입에 영향을 미치기 때문으로 생각된다.
(2) 장애물이 있는 조건은 장애물이 없는 조건에 비해 연기층이 얇았다. 화원에서 장애물 위치가 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 또는 개구부 쪽으로 멀어짐에 따라 연기층이 두꺼워졌다.
(3) 장애물이 있는 조건은 장애물이 없는 조건에 비해 연기층 온도가 높고 개구부 유동의 질량 유량이 적었다. OL1∼OL5의 경우, 화원에서 장애물 위치가 개구부 반대쪽에 있는 구획실 벽면 또는 개구부 쪽으로 멀어짐에 따라 연기층 온도가 감소하였고, 질량 유량이 증가하였다. 이는 장애물이 화원에 가까워짐에 따라 화원으로 혼입되는 주위 기체의 양이 장애물에 의해 제한되기 때문으로 판단된다. 그러나 OL6의 경우, 장애물 위치가 화원에서 가장 먼 조건이지만 연기층 온도가 높았고, 질량 유량은 적었다. 이는 장애물이 개구부에 근접하여 개구부 유동에 영향을 미치기 때문으로 추측된다.
본 연구를 통해 화원, 장애물, 개구부 간 상대적인 위치가 구획실 내 화재 현상에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 그러나 한 가지 형태의 장애물 위치 영향만을 평가하였고, 장애물에 의해 야기될 수 있는 열방출률의 변화를 고려하지 않았다는 한계가 있다. 추후 화원, 장애물 및 개구부의 다양한 조건(크기, 위치, 개수, 배열 등)에 따른 구획실 화재 현상에 대한 전산해석 및 실험, 그리고 이에 대한 정량적 예측 방법 등에 대한 연구가 수행될 필요가 있다고 판단된다.
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