1. 서 론
미분무는 미립화기의 최소 설계 압력에서 분사되는 물입자의 99%의 누적 체적 분포가 400 μm 크기 이하인 것(1)을 말한다. 미분무는 기존 스프링클러설비와 달리 A급, B급, C급의 다양한 유형의 화재 소화에 적용(1)될 수 있으며, 물 소모량이 적어 물 사용에 민감한 장비와 공간에 대한 수손 피해를 줄일 수 있는 장점(2)이 있다. 한편, 선박(3), 위험물 시설(4), 문화재(5) 등의 화재 방호를 위해 미분무를 적용하는 연구들이 수행되었다. 미분무의 화재 방호 효과 중 하나인 열복사 차단 효과는 미분무 액적의 흡수 및 산란 효과로 인해 발생(6)하는데, 화재 확산 방지를 위한 미분무 설비를 다양한 환경에 적용하기 위해서는 미분무 노즐 설치 조건에 따른 미분무 특성(액적 크기, 액적 속도, 액적 밀도, 분무폭 등)이 열복사 차단율(미분무 적용에 따른 열복사 차단 비율)에 미치는 영향에 관한 연구가 수행되어야 한다.
기존에 미분무 특성에 따른 열복사 차단에 대한 실험적 연구들(7-11)이 일부 수행되었다. Murrell 등(7)은 중실원추형 노즐과 중공원추형 노즐을 이용하여 물 공급 유량, 액적 크기, 액적 속도가 열복사 차단에 미치는 영향을 검토하였다. 물 공급 유량이 증가함에 따라 액적 크기가 작아지면서 열복사 차단율이 향상되었으며, 액적 속도보다 액적 크기가 열복사 차단율에 더 큰 영향을 미친다고 보고하였다. Dembele 등(8)은 2가지 종류의 노즐을 이용하여 물 공급 유량과 노즐 설치 개수에 따른 열복사 차단율을 실험적으로 확인하였다. 그 결과, 동일한 유량 조건에서 더 미세한 액적 크기를 방사하는 노즐에서 열복사 차단율이 높았다. 또한, 열복사 전달 경로상에 미분무를 분사하도록 2개 또는 3개의 노즐을 직렬로 배치하였을 때, 노즐 개수가 증가할수록 열복사 차단율이 향상되었다. Jo와 Lee(9)는 2가지 종류의 내부혼합형 2유체노즐과 3종류의 외부혼합형 2유체노즐을 이용하여 물 및 공기 공급 유량에 따른 미분무 특성과 열복사 차단 측정 실험을 수행하였다. 실험을 통해 액적 크기가 물 공급 유량보다 열복사 차단율에 미치는 영향이 더 크다고 보고하였다. Kang과 Lee(10)는 단일유체노즐을 이용하여 노즐 출구로부터 거리에 따른 미분무 특성과 열복사 차단율의 변화에 대해 검토하였다. 분무폭이 최대가 되는 위치에서 최대 열복사 차단율이 측정되었고, 분무폭이 미분무 열복사 차단율에 영향을 미치는 중요한 인자임을 보고하였다. Park 등(11)은 동일한 2개의 단일유체노즐을 열복사 전달 경로상의 2지점에 설치하여 개별 분사 및 동시 분사 조건 따른 미분무 특성과 열복사 차단 측정 실험을 수행하였다. 2개의 노즐을 동시에 분사하는 경우의 열복사 차단율은 개별 분사한 조건의 열복사 차단율 합보다 낮았고, 이는 미분무의 중첩 영역으로 인해 전체 분무폭이 좁아지는 효과가 있기 때문이라고 보고하였다.
한편, 미분무의 열복사 차단에 대한 전산해석 연구들(12-14)이 기존에 일부 수행되었다. Ko(12)는 Murrell 등(7)의 실험을 대상으로 fire dynamics simulator (FDS)를 이용한 전산해석을 수행하여, 액적 크기 및 분사 유량에 대한 열복사 차단 경향이 실험과 전산해석 간 유사하게 나타남을 확인하였고, 분사각이 증가함에 따라 열복사 차단 효과가 증가한다고 보고하였다. Jo와 Lee(13)는 액적 크기, 물 공급 유량 및 분사각을 주요 변수로 설정하여 미분무의 분사 특성이 열복사 차단에 미치는 영향을 FDS를 이용한 전산해석을 통해 정량적으로 검토하였다. Ko 등(14)은 FDS를 이용하여 미분무의 액적 속도 및 열원 조건이 열복사 차단율에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 동일 유량 조건에서 분사 속도가 낮을수록 노즐 중심축 부근의 액적 밀도가 높아져서 열복사 차단율이 증가한다고 보고하였다. 또한, 열원 온도 및 크기가 커지고 열원-노즐 간 거리가 가까워질수록 열복사 차단량은 증가하였으나 열복사 차단율에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
이와 같이, 기존 연구들(7-14)에서는 미분무의 분사 특성에 따른 열복사 차단율을 실험 및 FDS를 이용한 전산해석을 통해 평가하였다. 그러나, 대부분 하나의 노즐이 설치된 조건에서 연구가 수행되었고, 미분무 분사 방향은 모두 하향으로 설정되었다. 미분무 분사 방향이 상향으로 설정될 경우, 미분무 특성 및 열복사 차단율이 달라질 것으로 예상되지만 이에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 또한 실제 적용 측면에서, 방호 대상물의 높은 부분(예: 지붕 등)에 대한 화재 방호 시 노즐의 하향 설치에는 다양한 제약이 따르고, 화재 방호 설비가 외부에 노출되어 경관을 저해할 우려가 있다. 이러한 상황에서는 노즐의 상향 설치가 하나의 대안이 될 수 있고, 실제로 문화재 등의 화재 방호를 목적으로 노즐의 상향 설치에 대한 연구(15)가 수행된 바 있다. 따라서 상향 설치 조건에서의 미분무 특성과 열복사 차단 효과에 대한 체계적인 연구가 필요하다고 판단된다. 한편, 2개 이상의 노즐이 설치된 조건에서 연구들(8,11)이 일부 수행되었지만, 노즐 설치 간격이 미분무 특성 및 열복사 차단율에 미치는 영향은 검토되지 않았다. 미분무의 열복사 차단 효과를 이용한 화재 방호 설비의 다양한 현장 적용을 고려할 때, 노즐 설치 방향과 간격이 미분무 특성 및 열복사 차단율에 미치는 영향에 관한 분석이 수행되어야 한다.
본 연구에서는 노즐 설치 방향과 간격이 미분무 특성과 열복사 차단율에 미치는 영향에 대해 FDS를 이용하여 검토하였다. FDS의 정확도 확인 및 기본 조건 설정을 위해, 미분무가 분사되지 않는 조건에서 열원으로부터 거리에 따른 열유속을 실험적으로 측정하여 실험과 전산해석 간 결과를 비교하였다. 또한, Park 등(11)이 수행한 실험 조건과 유사하게 FDS 전산해석 조건을 설정하였고, 물 공급 유량에 따른 분사 특성과 열복사 차단율에 대해 Park 등(11)의 실험과 본 전산해석 간 결과를 비교하였다. 이후, 정확도가 확인된 전산해석 방법론을 이용하여, 노즐 설치 방향과 간격에 따른 미분무 특성과 열복사 차단율의 변화를 정량적으로 제시하고 분석하였다.
2. 전산해석 세부 사항
2.1 액적 및 복사 수송 방정식 관련 전산해석 모델(16,17)
FDS는 스프링클러나 노즐과 같은 분무 액적을 라그랑지안(Lagrangian) 기법을 이용하여 해석할 수 있다. 액적은 설정된 분사각, 유량, 속도, 크기 분포로 분사되고, 이 중 액적 크기 분포는 로그-노멀(log-normal) 분포와 로진-람러(Rosin-Rammler) 분포의 조합으로 식(1)의 누적 체적 분율을 통해 결정된다. 식(1)에서DV,0.5는 체적 중앙 입경(volume-median diameter)으로 사용자가 설정하는 값이다. DV,0.5 을 기준으로 두 개의 분포 함수가 구분되고, γ와σ(=1.15/γ)는 액적의 분포를 나타내는 특성 변수로 본 연구에서는 FDS 기본값인 2.4와 0.48을 각각 사용하였다. 초기 설정을 통해 분사된 액적은 공기 저항, 증발 등 여러 가지 요소의 영향을 받아 위치에 따라 다른 액적 크기, 속도, 밀도 분포를 나타낸다.
한편, FDS에서 적용되는 복사 에너지를 흡수(absorption), 방사(emitting), 산란(scattering)하는 매개체에 대한 복사 수송 방정식(radiative transport equation)은 식(2)와 같다. 식(2)에서s는 복사의 단위 방향벡터, Iλ는 파장λ일 때 특정 위치(x)에서의 복사의 방향벡터(s)에 대한 복사강도를 나타낸다. κ는 흡수 계수로 흡수에 의한 복사 손실을 나타내고, σs는 산란 계수로 우변의 두 번째 항인 산란에 의한 복사 손실과 네 번째 항인 내부 산란을 나타낸다. B는 가스, 그을음(soot), 액적, 입자의 국부적인 혼합물에 의해 방사되는 열과 관련된 방사원 항(emission source term)이다. 이때 매개체가 액적인 경우, 흡수 및 산란 효율은 Mie 이론에 의해 계산되고, 공간에서의 액적 크기, 밀도, 파장에 영향을 받는다. 추가적으로, 전 방향으로 방사되는 복사 열전달의 특징으로 인해 복사 수송 방정식을 계산할 때에는 격자 크기뿐만 아니라s방향의 입체각(solid angle) 수에 대한 검토가 이루어져야 한다. 앞서 설명한 전산해석 모델에 대한 세부 사항은 참고문헌(16,17)에서 확인할 수 있다.
2.2 기본 조건 설정
본 연구에서는 전산해석을 위해 FDS (ver. 6.8.0)를 이용하였다. FDS의 열유속 예측 정확도 확인 및 전산해석 기본 조건 설정을 위해 실험과 전산해석을 수행하였고, 이에 대한 개략도를 Figure 1에 나타내었다. 본 연구의 실험을 위해 Figure 1(a)와 같은 실험 장치를 구축하였다. Park 등(11)의 실험 연구에서 사용한 200 mm (폭) × 250 mm (높이) 크기의 히터(heater)를 열원으로 설치하였고, 열원으로부터 거리에 따른 열유속 변화를 측정하기 위해 열유속계를 이용하였다. 실험 시 히터 표면 온도는 700 °C인 조건이었고, 히터 표면으로부터 열유속계까지의 거리가 300～1,000 mm인 범위에서 100 mm 간격으로 열유속계 위치를 변화시키면서 열유속을 측정하였다.
Figure 1
Schematic diagrams of experimental set-up and numerical simulation for validating heat flux prediction of FDS.
열유속 측정 결과를 FDS 전산해석 결과와 비교하기 위해 Figure 1(b)에 나타낸 바와 같이 전산해석을 구축하였다. 전산해석 영역은 2,000 mm (x축) × 1,500 mm (y축) × 2,400 mm (z축)으로 설정하였고, 바닥을 제외한 다른 면은 개방으로 설정하였다. Figure 1(a)에 나타낸 히터와 동일한 크기의 히터를 구현하였고, 히터 표면의 중심과 열유속 측정점은 바닥으로부터 1,575 mm인 위치로 설정하였다. 히터와 열유속 측정점 간 거리는 실험과 동일하게 300～1,000 mm인 범위 내에서 100 mm 간격으로 설정하였다. 열유속의 경우 복사 열유속을 측정하도록 설정하였다.
전산해석을 위한 적절한 격자 크기와 입체각 수 설정을 위해, 격자 크기의 경우 기존 연구(12-14)를, 입체각의 경우 FDS의 기본값(100)을 기준으로 다양한 값을 적용하여 전산해석의 정확도를 평가하였다. Figure 2에 나타낸 바와 같이, 격자 크기가 0.1, 0.05, 0.01 m인 조건과 입체각 수가 100, 300, 500인 조건에 대해 전산해석을 수행하였고, 이를 실험에서 측정한 열유속과 비교하였다. 격자 크기가 0.05 m, 입체각 수가 500인 조건에서 실험과 전산해석 간 거리에 따른 열유속이 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 따라서 이러한 조건을 적용하여 전산해석을 수행하였고, 이 경우 본 전산해석에 적용된 격자수는 총 57,600개이다.
2.3 미분무 특성과 열복사 차단율에 대한 기존 실험 결과(11)와 비교
미분무 특성과 열복사 차단율에 대한 FDS의 예측 정확도를 확인하기 위해 구축한 전산해석의 개략도를 Figure 3에 나타내었다. 전체적으로 Park 등(11)이 수행한 실험 조건과 유사하게 전산해석 조건을 설정하였다. 즉, 열원은 크기가 200 mm (폭) × 250 mm (높이), 표면 온도는 700 °C로 설정하였고, 열유속 측정점은 열원 표면으로부터 1,000 mm 떨어진 위치에 설정하였다. 노즐은 열원과 열유속계에 가까운 지점에 노즐을 설정하였고, 각각을 NH (near heater)와 NS (near sensor) 위치로 명명하였다. 미분무 액적 크기(Sauter mean diameter, SMD)와 분무폭 데이터를 확보하기 위해 각 노즐 출구로부터 아래 방향으로 380 mm 떨어진 높이에서, 열원으로부터 열유속 측정점 방향으로 1,250 mm 거리 범위 내에 10 mm 간격으로 액적 크기 측정점을 설정하였고, 액적 크기가 측정되는 위치를 토대로 분무폭을 도출하였다. 이때 분무폭은 액적 크기가 측정되는 전체 수평 거리로 정의하였다.
본 연구에서는 Park 등(11)의 실험 연구와 동일하게, 물 공급 유량 조건은 300, 400, 500 g/min으로 설정하였고, 미분무 특성에 대한 전산해석은 열원의 온도가 미설정된 조건에 대해 수행하였다. 미분무 노즐을 모사하기 위해 본 전산해석에서 사용된 입력 조건을 Table 1에 정리하여 나타내었다. Park 등(11)의 실험 연구에 미분무 노즐에 대한 종류 및 세부 사양이 제시되어 있지 않은 관계로, 해당 연구(11)에 제시된 결과를 이용하여 미분무 노즐의 입력 조건을 설정하였다. 물 공급 유량, 분무각, 액적 속도, 액적 크기 등을 입력 인자로 이용하였고, Table 1에 나타낸 수치는 Park 등(11)의 실험 연구에 제시된 결과와 선행 전산해석을 통해 최종적으로 결정되었다. 한편, 열복사 차단율에 대한 전산해석의 경우, 미분무 특성에 대한 전산해석 조건에 열원의 온도를 설정하여 전산해석을 수행하였다.
Table 1
Nozzle Input Parameters of Numerical Simulation for Comparing with Previous Experiment(11)
| Water Flow Rate (g/min) | Spray Angle (°) | Droplet Velocity (m/s) | Droplet Size (DV, 0.5, μm) |
|---|---|---|---|
| 300 | 52 | 3.05 | 335 |
| 400 | 76 | 3.7 | 257 |
| 500 | 78 | 6.05 | 215 |
미분무 특성 및 열유속 분석을 위한 데이터의 경우, 정상 상태에서의 평균값을 이용하였다. 총 전산해석 시간은 30 s로 설정하였고, 미분무는 10 s 이후 분사하였다. 미분무 분사 특성의 경우 20∼30 s 범위 내의 평균값을 이용하였고, 열복사 차단율(ζ)은 미분무 분사 전의 5∼10 s 범위 내 열유속(U0) 평균값과 미분무 분사 중의 20∼30 s 범위 내 열유속(U) 평균값을 이용하여 식(3)(11)과 같이 계산되었다. 한 예로, Figure 4에 1개의 노즐이 하향으로 설치되고 물 공급 유량이 400 g/min 조건에서 측정한 시간에 따른 열유속 결과를 나타내었다.
2.4 노즐 설치 방향과 간격 영향
열유속 측정 실험 및 Park 등(11)의 실험 결과와의 비교를 토대로 정확도가 확인된 전산해석 방법론을 이용하여 노즐 설치 방향과 간격이 미분무 특성 및 열복사 차단율에 미치는 영향에 대해 전산해석을 수행하였다. 이를 위해, Figure 5에 나타낸 바와 같이, 1개 또는 2개의 노즐이 하향 또는 상향 설치된 조건을 설정하였고, Figure 5에는 이러한 모든 조건을 종합하여 개략도로 나타내었다. 노즐의 하향 및 상향 설치 조건에서, 노즐 출구로부터 히터 중심까지의 거리는 380 mm로 설정하였다. 1개의 노즐에서 미분무가 분사되는 경우, 히터 표면으로부터 350 mm 떨어진 NH 위치에 노즐이 설치된 조건에 대해 전산해석을 수행하였고, 2개의 노즐에서 미분무가 분사되는 경우, 하나의 노즐은 NH 위치에 고정하고, 다른 하나의 노즐은 NH 위치로부터 각각 100, 200, 300, 400 mm 떨어진 위치에 설치된 조건에 대해 전산해석을 수행하였다. 모든 노즐 설치 간격 조건에 대해 물 공급 유량은 500 g/min으로 설정하였고, 각 노즐 설치 간격 조건에서 액적 크기, 액적 밀도, 분무폭과 같은 미분무 특성을 측정하였다. 이때 미분무 특성 측정점은 Figure 3과 동일하게 설정하였다. 또한 열복사 차단율을 도출하기 위해, 열원 표면으로부터 1,750 mm 범위 내에 50 mm 간격으로 열유속 측정점을 설정하였다. Tables 2와 3에 노즐 설치 방향과 설치 간격에 대한 전산해석 입력 조건을 각각 정리하여 나타내었다.
Figure 5
Schematic diagram of numerical simulation for examining effects of nozzle installation direction and spacing.
Table 2
Nozzle Input Parameters of Numerical Simulation for Nozzle Installation Direction
3. 전산해석 결과
3.1 미분무 특성과 열복사 차단율에 대한 기존 실험 결과(11)와 비교
Figure 6에 1개의 노즐이 하향으로 설치된 조건의 미분무 특성 및 열복사 차단율에 대해 기존 실험 결과(11)와 본 전산해석 결과를 비교하여 나타내었다. 전체적으로 미분무 특성 및 열복사 차단율에 대한 본 전산해석 결과는 기존 실험 결과(11)와 유사하게 나타났다. 액적 크기 분포(Figure 6(a))의 경우, 노즐 중심에서 액적 크기가 가장 작았고, 중심에서 반경 방향으로 측정 위치가 멀어짐에 따라 액적 크기가 커졌다. 이는 노즐 중심에서 액적 분사 속도가 가장 빠르고 반경 방향으로 멀어짐에 따라 속도가 감소하기 때문으로 판단된다. 또한 물 공급 유량이 증가함에 따라 액적 크기가 감소하는 경향이 나타났는데 이는 물 공급 유량 증가에 따른 물 공급 압력의 증가 때문으로 생각된다. 분무폭(Figure 6(b))의 경우, 물 공급 유량이 증가함에 따라 분무폭이 넓어졌는데, 이는 물 공급 압력 증가에 따라 반경 방향으로의 액적 도달 거리가 멀어지기 때문으로 판단된다. 열복사 차단율(Figure 6(c))의 경우, 물 공급 유량이 증가함에 따라 증가하였는데, 이는 물 공급 유량이 증가함에 따라 액적 크기가 작아지고 액적 개수가 증가하기 때문으로 생각된다. 본 전산해석 결과와 기존 실험 결과(11) 간 액적 크기, 분무폭, 열복사 차단율에 대한 평균 절대 백분율 오차(mean absolute percentage error)는 각각 19.0, 4.9, 3.3%로 나타났다.
Figure 6
Comparison of droplet size, spray width, and attenuation rate for one-nozzle installation between previous experiment(11) and present numerical simulation.
Figure 7에 2개의 노즐이 하향으로 설치된 조건의 미분무 특성 및 열복사 차단율에 대해 기존 실험 결과(11)와 본 전산해석 결과를 비교하여 나타내었다. 1개의 노즐 설치 조건과 유사하게, 본 전산해석의 미분무 특성 및 열복사 차단율 결과는 기존 실험 결과(11)와 유사하게 나타났다. 액적 크기 분포(Figure 7(a))의 경우, 2개의 노즐 중심에서 액적 크기가 작았고, 노즐과 노즐 사이 영역을 포함하여 노즐 중심에서 반경 방향으로 멀어짐에 따라 액적 크기가 커졌다. 또한, 물 공급 유량이 증가함에 따라 분무폭(Figure 7(b))과 열복사 차단율(Figure 7(c))이 증가하는 경향이 관찰되었다. 본 전산해석 결과와 기존 실험 결과(11) 간 액적 크기, 분무폭, 열복사 차단율에 대한 평균 절대 백분율 오차는 각각 11.9, 8.5, 6.0%로 나타났다. 한편, Figures 6과 7에서 액적 크기의 평균 절대 백분율 오차가 분무폭이나 열복사 차단율에 비해 더 크게 나타났는데, 이는 FDS가 복잡한 액적 크기 형성 과정을 정밀하게 해석하는 데에 일부 한계가 있기 때문으로 생각된다.
Figure 7
Comparison of droplet size, spray width, and attenuation rate for two-nozzle installation between previous experiment(11) and present numerical simulation.
3.2 노즐 설치 방향 영향
Figures 8∼10에 노즐 설치 방향이 액적 크기, 액적 밀도 및 분무폭에 미치는 영향을 각각 나타내었다. 1개 및 2개의 노즐이 하향 및 상향으로 설치된 조건의 액적 크기 분포(Figure 8)의 경우, 노즐 중심에서 액적 크기가 작았고, 노즐 중심에서 반경 방향으로 멀어짐에 따라 액적 크기가 커지는 경향이 나타났다. 그러나 노즐 설치 방향에 따른 액적 크기의 차이는 크지 않았다.
1개의 노즐이 설치된 조건의 액적 밀도 분포(Figure 9(a))의 경우, 하향 및 상향 설치 조건 모두에서 노즐 중심에서의 액적 밀도가 높고, 노즐 중심에서 반경 방향으로 측정 위치가 멀어짐에 따라 액적 밀도가 감소하는 경향이 나타났다. 그리고 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 액적 밀도가 높은 것으로 관찰되었다. 2개의 노즐이 설치된 조건의 액적 밀도 분포(Figure 9(b))의 경우, 하향 설치 조건에서는 각 노즐의 중심에서 액적 밀도가 높게 측정되었고 노즐과 노즐 사이 영역을 포함하여 각 노즐 중심에서 반경 방향으로 멀어짐에 따라 액적 밀도가 감소하였다. 반면, 상향 설치 조건에서는 각 노즐 중심뿐 아니라 노즐과 노즐 사이 영역에서도 액적 밀도가 높은 것으로 나타났다. 전체적으로 1개 및 2개의 노즐이 설치된 조건 모두에서 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 액적 밀도가 높은 것으로 나타났다. 이러한 경향이 나타난 이유는 상향 설치 조건의 경우 위로 분사된 미분무 액적이 중력에 의해 아래로 떨어지기 때문으로 판단된다.
분무폭(Figure 10)의 경우, 1개 및 2개의 노즐 설치 조건 모두에서, 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 분무폭이 넓은 것으로 나타났다. 정량적으로, 1개 및 2개의 노즐 설치 조건에서, 상향 설치 조건의 분무폭은 하향 설치 조건의 분무폭에 비해 약 1.90배와 1.49배 더 넓었다. 이러한 경향이 나타난 이유는 상향으로 설치된 노즐에서 특정 분사각을 형성하면서 위로 분사된 미분무 액적이 중력의 영향으로 인해 아래도 떨어지면서, 보다 넓은 범위에 분포되는 효과가 발생하기 때문으로 판단된다.
노즐 설치 방향이 열복사 차단율에 미치는 영향에 대한 결과를 Figure 11에 나타내었다. 1개 및 2개의 노즐이 설치된 조건에서, 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 열복사 차단율이 높았다. 정량적으로 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해, 1개의 노즐 설치 조건에서는 2.39배, 2개의 노즐 설치 조건에서는 1.75배 열복사 차단율이 더 높은 것으로 나타났다. 이러한 경향이 나타난 주된 이유는 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 열복사를 차단할 수 있는 액적 밀도가 높고 분무폭이 넓기 때문으로 생각된다.
3.3 노즐 설치 간격 영향
Figures 12∼14에 2개의 노즐이 하향 및 상향으로 설치된 조건에 대해, 노즐 설치 간격이 액적 크기, 액적 밀도 및 분무폭에 미치는 영향을 각각 나타내었다. 하향 설치 조건에서의 액적 크기 분포(Figure 12(a))의 경우, 2개의 노즐 중심에서 액적 크기가 가장 작았고, 노즐 중심에서 반경 방향으로 측정 지점이 멀어짐에 따라 액적 크기가 커졌다. 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 각 노즐 중심에서의 액적 크기 변화는 미미하였으나 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 크기는 커지는 경향이 관찰되었다. 즉, 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 노즐과 노즐 사이에서의 액적 크기와 노즐 중심에서의 액적 크기 간 차이가 증가하였고, 전체적으로 액적 크기 분포가 W 형태를 나타냈다. 반면, 상향 설치 조건(Figure 12(b))의 경우, 전체적으로 노즐 설치 간격이 노즐 중심에서의 액적 크기와 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 크기 변화에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 관찰되었다.
Figure 13(a)에 나타낸 하향 설치 조건에서의 액적 밀도 분포의 경우, 각 노즐 중심에서는 액적 밀도가 높은 것으로 나타났다. 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 밀도의 경우, 노즐 설치 간격이 가까운 조건(예: 100 mm)에서는 비교적 높은 액적 밀도가 나타났으나 노즐 설치 간격이 먼 조건에서는 낮은 액적 밀도가 측정되었다. 반면, Figure 13(b)에 나타낸 상향 설치 조건에서의 액적 밀도 분포의 경우, 노즐 설치 간격이 먼 조건에서도 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 밀도가 비교적 높은 것으로 나타났다. Figures 12와 13을 토대로 판단할 때, 하향 설치 조건의 경우, 2개의 노즐 설치 간격이 가까운 조건에서는 2개의 노즐에서 분사되는 미분무의 중첩 영향이 크고, 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 중첩 영향이 감소되는 것으로 판단된다. 반면, 상향 설치 조건에서는 2개의 노즐 설치 간격이 가까운 조건뿐 아니라 먼 조건에서도 2개의 노즐에서 분사되는 미분무의 중첩 영향이 비교적 큰 것으로 판단된다.
한편, Figure 14에 노즐 설치 간격에 따른 분무폭 측정 결과를 나타내었다. 하향 및 상향 설치 조건 모두에서, 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 분무폭이 넓어졌다.
Figure 15에 2개의 노즐이 하향 및 상향으로 설치된 조건에서, 노즐 설치 간격이 열복사 차단율에 미치는 영향을 나타내었다. 하향 설치 조건(Figure 15(a))의 경우, 노즐 설치 간격이 100 mm인 경우에서 열복사 차단율이 가장 낮았고, 이보다 노즐 설치 간격이 먼 경우가 열복사차단율이 높았다. 그러나 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 경우 간 열복사 차단율의 차이는 미미하였다. 최대 미분무 열복사 차단율의 경우, 노즐 설치 간격이 100 mm인 조건에 비해 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 조건에서 각각 1.11배, 1.12배, 1.12배 증가하였다. 이러한 경향이 나타난 이유는 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 경우, 각 노즐의 중심에 액적 밀도가 집중되어 2개의 노즐에서 분사되는 미분무의 중첩 영역이 열복사 차단율에 미치는 영향이 미미하기 때문으로 판단된다. 반면, 하향 설치 조건과 다르게 상향 설치 조건(Figure 15(b))의 경우, 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 미분무 열복사 차단율이 지속적으로 증가하였다. 최대 미분무 열복사 차단율의 경우, 노즐 설치 간격이 100 mm인 조건에 비해 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 조건에서 각각 1.11배, 1.24배, 1.39배 증가하였다. 이는 노즐 설치 간격이 증가함에 따라 액적 크기가 작고 액적 밀도가 높은 미분무의 중첩 영역이 지속적으로 넓어지기 때문으로 판단된다. 이러한 결과를 토대로 볼 때, 노즐 설치 간격에 따른 미분무의 중첩 영역이 열복사 차단율에 지대한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
한편, 본 연구에서는 제한적인 조건에서 전산해석이 수행되었기 때문에, 보다 다양하고 현실적인 화재 조건을 고려한 추가적인 전산해석이 필요하다고 판단된다. 아울러, FDS가 미분무 액적의 복잡한 거동 및 열복사 감쇠 효과를 정확하게 해석하는데 한계가 있으므로 노즐의 설치 방향 및 간격에 따른 미분무 특성과 열복사 차단 효과에 대한 실험적 검증이 수행될 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 노즐 설치 방향과 간격이 미분무 특성과 열복사 차단율에 미치는 영향에 대해 FDS를 이용하여 검토하였다. 미분무가 분사되지 않는 조건에서 열원으로부터 거리에 따른 열유속에 대해 실험과 전산해석 간 결과를 비교하여 FDS의 정확도를 확인하고 전산해석에 대한 기본 조건을 설정하였다. 또한, Park 등(11)이 수행한 실험 조건과 유사하게 FDS 전산해석을 수행하여, 물 공급 유량(300, 400, 500 g/min)에 따른 분사 특성과 열복사 차단율에 대한 실험과 전산해석 간 결과를 비교하였다. 이후, 물 공급 유량이 500 g/min인 조건에 대해, 노즐 설치 방향(하향 및 상향)과 간격(100, 200, 300, 400 mm)에 따른 미분무 특성과 열복사 차단율에 대한 전산해석을 수행하였다. 본 연구를 통해 도출한 주요 연구 결과를 아래에 정리하였다.
(1) 노즐의 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 액적 밀도가 높았고, 분무폭이 넓었다. 반면, 노즐 설치 방향이 액적 크기에 미치는 영향은 미미한 것으로 관찰되었다.
(2) 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해, 1개의 노즐 설치 조건에서는 2.39배, 2개의 노즐 설치 조건에서는 1.75배 열복사 차단율이 더 높았다. 이는 상향 설치 조건이 하향 설치 조건에 비해 열복사를 차단할 수 있는 미분무의 액적 밀도가 높고 분무폭이 넓기 때문으로 생각된다.
(3) 노즐의 하향 설치 조건에서, 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 각 노즐 중심에서의 액적 크기 변화는 미미하였으나, 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 크기는 커졌다. 반면, 노즐의 상향 설치 조건에서, 노즐 설치 간격은 노즐 중심 및 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 크기 변화에 큰 영향을 미치지 않았다.
(4) 노즐의 하향 설치 조건에서, 노즐과 노즐 사이 영역에서는 노즐 설치 간격이 가까운 경우에는 액적 밀도가 높았고, 노즐 설치 간격이 먼 경우에는 액적 밀도가 낮았다. 그러나 노즐의 상향 설치 조건에서는 노즐 설치 간격이 먼 경우에서도 노즐과 노즐 사이 영역에서의 액적 밀도가 높았다. 한편, 노즐의 하향 및 상향 설치 조건 모두에서, 노즐 설치 간격이 증가함에 따라 분무폭은 증가하였다.
(5) 노즐의 하향 설치 조건에서, 노즐 설치 간격이 100 mm인 경우의 열복사 차단율이 가장 낮았고, 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 경우 간 열복사 차단율의 차이는 미미하였다. 최대 미분무 열복사 차단율의 경우, 노즐 설치 간격이 100 mm인 조건에 비해 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 조건에서 각각 1.11배, 1.12배, 1.12배 증가하였다. 반면, 노즐의 상향 설치 조건에서는 노즐 설치 간격이 멀어짐에 따라 열복사 차단율이 지속적으로 증가하였다. 최대 미분무 열복사 차단율의 경우, 노즐 설치 간격이 100 mm인 조건에 비해 노즐 설치 간격이 200, 300, 400 mm인 조건에서 각각 1.11배, 1.24배, 1.39배 증가하였다. 이러한 결과를 토대로 볼 때, 노즐 설치 간격에 따른 미분무의 중첩 영역이 열복사 차단율에 지대한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
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