본 연구에 사용된 실험 장치는 Figure 2와 같이 구성하였다. 축동력이 1.83 kW인 원심 펌프를 사용하여 유량 조절용 볼 밸브와 유량계를 통과한 물이 말단의 스프링클러 헤드로 공급되도록 시스템을 구성하였다. 살수 밀도를 측정하기 위하여 Figure 2의 파란색으로 표시된 위치에 Figure 3(a)와 같이 채수통을 설치하였다. Figure 3(b)에 나타난 것처럼, Bang 등(6)의 연구와 동일하도록 한 변의 길이가 7.9 cm, 높이가 4.9 cm인 채수통을 사용하였다. 스프링클러 헤드의 직하 지점을 원점으로 설정하였고, 프레임 암에 수직인 방향을 x 축, 프레임 암의 방향을 y 축으로 정의하였다. 스프링클러 설치 기울기를 y 축을 중심으로 변화시켜, y = 0인 평면에 대하여 대칭인 살수 분포가 측정될 수 있도록 하였다. Kim(5)의 실험 방법에 따라, 각 사분면에서 채수통을 x 축, y 축 방향 각각 4.0 m씩 배치하였다.

스프링클러 헤드는 Figure 4와 같이 하향식 헤드를 사용하였다. K-factor는 80 LPM/(0.1 MPa)^0.5, 유효 살수 반경은 2.3 m이다. 실험 조건에 따라 헤드 기울기를 변경할 때는 헤드 상단부를 -x 영역 쪽으로 회전시켰다.

Table 1은 스프링클러 작동 조건을 나타낸 것이다. 스프링클러 설비는 ｢스프링클러 헤드의 형식승인 및 제품 검사의 기술기준｣(8)에 따라 설치되었다. 채수통 하나가 물로 가득 차는 시간에 해당하는 1 min 30 s간 방수하였다. 각 스프링클러 기울기별로 살수 밀도 분포 측정은 1회씩 수행되었다. 살수 밀도를 나타내는 지표인 각 채수통에서의 부피 유속은 식(1)을 사용하여 계산되었다.

여기서q″ (x,y)는 측정 영역 상(x, y)좌표에 해당하는 부피 유속(LPM/m²),V는t분 동안 채수통에 쌓인 물의 부피(L),t는 스프링클러 설비 작동 시간(min),A는 채수통 바닥 면적(m²)을 의미한다.

Table 2는 측정 영역 내 모든 채수통에서 측정된 물의 부피의 총합을 측정 시간으로 나누어 얻은 측정 유량 값과 설정값 대비 상대 오차를 헤드 기울기별로 나타낸 것이다. 실험 시 유량이 80 LPM이 되도록 설정하였으며, 두 개 사분면에서 측정을 수행하였으므로, 측정 면에 도달하는 유량은 40 LPM이다. 측정 결과는 이론값과 최대 5.24%의 오차를 보였으며, 측정 과정에서 채수통 내 물의 증발이나 소량의 물이 담긴 채수통에서의 수위 측정 시 발생했던 것으로 추정된다.

Figure 5는 측정 위치별 살수 밀도를 등고선 형태로 시각화한 것이다. 기울기가 0°인 경우, 반사판의 슬롯(slot)과 타인(tine) 구조로 인하여 방위각 방향에 따라 분무 도달 거리가 다르게 측정되었다. 또한, 슬롯으로 공급된 소화 용수가 반경 방향으로 0.5 m에서 1.0 m 사이에 공급되며, 상대적으로 높은 살수 밀도가 측정되었다. 기울기 5°에서는 0°와 유사한 분포를 보였으나, x 축 부근 x = -0.75 m 부근에서 살수 밀도가 증가하고, x = 0.75 m 부근에서 살수 밀도가 낮게 측정되었다. 설치 기울기 15°에서는 프레임 암 방향에서 깊게 패인 V자형 패턴이 발생하였고, x 축을 따라 소화 용수 도달 거리의 차이가 증가하였다. 기울기 0°에서는 프레임 암에 의해 양방향으로 갈라진 소화 용수가 반사판 위를 흐르며 중력에 의해 반사판 위로 넓게 펼쳐지며 유동이 회복되었으나, 설치 기울기가 증가할수록 프레임 암을 지난 소화 용수가 반사판 상단에서 반사판의 수직 방향과는 다른, 기울어진 방향으로 중력의 영향을 받으며, 유동이 회복되지 못하여 이러한 V자형 패턴이 발생한 것으로 사료된다. -x 영역의 x 축 부근에서 옅은 푸른색과 초록색으로 표현되는 중간 유속(1.80 LPM/m² ≤ q^˙″ (x,y) < 10.2 LPM/m²) 영역이 차지하는 비율이 전반적으로 증가하였으며, 짙은 푸른색으로 표현되는 낮은 유속(0.01 LPM/m² ≤ q^˙″ (x,y) < 1.80 LPM/m²) 영역의 면적이 감소하였다. 그러나, +x 영역의 x 축 부근에서 노란색 및 붉은색으로 표현되는 높은 유속(10.2 LPM/m² ≤ q^˙″ (x,y)) 영역은 감소하였고, 낮은 유속 영역 면적이 증가하였다. 기울기가 25°에서는 기울기 15°와 유사한 양상으로 +x 영역과 -x 영역 간 차이가 더 크게 나타났다. 헤드가 기울어진 경우, -x 영역으로 공급되는 소화 용수는 반사판의 각도로 인하여 지면을 향하는 방향으로 공급되며, 반경 방향 도달 거리가 감소하였다. 감소한 살수 면적으로 인하여 좁은 영역에 소화 용수가 공급되며, 살수 밀도는 증가하였다. +x 영역으로 공급되는 소화 용수는 상부를 향하여 공급되며, 그로 인하여 도달 거리는 증가하였다. 증가한 살수 면적으로 인하여 +x 영역의 살수 밀도는 상대적으로 감소한 것으로 나타났다.

Figure 6은 각 방위각 영역으로 공급되는 소화 용수의 비율을 헤드 기울기별로 나타낸 것이다. y 축을 기준으로 +x 영역을(+), -x 영역을(-) 부호로 측정하였다. 측정 영역을 45° 간격으로 총 4개의 방위각 범위로 구분하였으며, 각 방위각 범위에 포함된 채수통에서 측정된 물의 부피 총합을 전체 채수통에서 측정된 부피 총합으로 나누어 방위각 범위에 따른 부피 분율 분포를 산출하였다. 설치 기울기가 0°에서 5°로 증가함에 따라 유사한 부피 분율 분포가 나타났다. 설치 기울기가 15°를 초과하면서 -x 영역으로 도달하는 소화 용수의 양은 증가하고, +x 영역으로 도달하는 소화 용수의 양은 감소하였다. 방위각 범위에 따른 공급 비율 차이도 기울기가 커짐에 따라 증가하였다: 소화 용수 공급 비율의 최대 차이는 기울기가 15°인 경우, 10.20%, 기울기가 25°인 경우, 14.20% 발생하였다. 방위각 범위의 절댓값이 커질수록 기울기별 부피 분율 분포에 큰 변화가 관찰되었다. 방위각 범위가 -90°에서 -45°까지 구간과 45°에서 90°까지 구간에서 살수 분포 변화가 가장 뚜렷하게 관찰되었다. 따라서, 해당 방위각 범위 내에서 반경 방향에 따른 살수 밀도 분포를 관찰하였다. Figure 7(a)는 방위각 범위가 -90°에서 -45°까지인 경우 반경 방향에 따른 살수 밀도 분포이다. 기울기가 0°, 5°인 경우, 살수 밀도 분포의 경향성이 유사하였다. 기울기가 15°를 초과하면서, 반경 0.5 m에서 2.0 m까지 더 높은 살수 밀도를, 반경 2.0 m 이후에는 더 낮은 살수 밀도를 보였다. 기울기가 25°인 경우 그 정도는 더 심해졌다. Figure 7(b)는 방위각 범위가 45°에서 90°인 경우 반경 방향에 따른 살수 밀도 분포이다. 기울기가 0°, 5°인 경우, 살수 밀도 분포의 경향성이 유사하였다. 기울기가 15°를 초과하면서, 원점으로부터 반경 1.0 m 사이에서 살수 밀도가 낮아졌으며, 그 외의 범위에서는 유사한 살수 밀도를 보였다. 살수 형태 분석으로부터 헤드 기울기에 따라 +x 영역에서 살수 면적은 증가하였고, 살수 밀도는 상대적으로 감소하였는데, 실제 반경 방향 살수 밀도 분포에는 헤드로부터 가까운 지점을 제외하고 해당 현상이 명확하게 나타나지 않았다. 이는 헤드로부터 원거리에 도달하는 물의 양이 적어 살수 밀도에 기여하는 정도가 적었기 때문으로 판단된다.

본 절에서는 스프링클러 헤드 기울기에 따른 살수 밀도 분포를 살수 면적과 분무 도달 거리를 중심으로 분석하였다. Figure 8은 전체 살수 면적과 살수면적비(A_{Region of+x}/A_{Region of-x})를 나타낸 것이다. 살수 면적은 전체 측정 영역에서q^˙″ (x,y)이 0.01 LPM/m² 이상인 채수통의 바닥 면적을 합산한 것이다. 기울기가 증가함에 따라 전체 살수 면적은 미소하게 감소하였으나, 최댓값과 최솟값의 차이가 0.15 m²에 불과하여 유의미한 차이를 보이지 않았다. 그러나 +x 영역 살수 면적(A_{Region of+x})은 증가하고, -x 영역 살수 면적(A_{Region of-x})은 감소하며, 비대칭 분포로 바뀌었다. +x 영역 살수 면적을 -x 영역 살수 면적으로 나누어 살수면적비를 분석하였다. 양 영역의 살수면적비는 설치 기울기가 증가함에 따라 1.62까지 증가하였다.

Figure 9는 x축 방향으로 분무 도달 거리를 나타낸 것으로, 헤드 기준 x축 방향으로 누적된 물의 부피가 -x 또는 +x 각각의 영역에서 측정된 부피의 총합의 95%에 도달하는 거리를 나타내었다. 설치 기울기 0°의 경우 두 영역에 소화 용수가 도달하는 거리의 차이가 매우 작았다. 설치 기울기 증가에 따라, +x 영역에서는 0.2 m만큼 증가하였고, -x 영역에서는 0.4 m 감소하였다. 해당 결과로부터 본 연구에 사용된 스프링클러 헤드의 유효 살수 반경이 2.3 m임을 고려할 때, 헤드 설치가 기울어지면 소화 용수가 도달하지 못하는 영역이 발생할 수 있을 것으로 판단된다.