축방향 위치에 따른 미분무 특성이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향 검토

Investigation on Effects of Water Mist Characteristics According to Axial Position on Thermal Radiation Attenuation Performance

Article information

Fire Sci. Eng.. 2022;36(3):11-18

Publication date (electronic) : 2022 June 30

doi : https://doi.org/10.7731/KIFSE.32592e18

Jun Seok Kang , Chi Young Lee ^*^,^**^,

강준석, 이치영^*^,^**^,

부경대학교 소방공학과 학부생

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

* 부경대학교 소방공학과 교수

* Professor, Department of Fire Protection Engineering, Pukyong National University

** 부경대학교 건축⋅소방공학부 교수

** Professor, Division of Architectural and 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 2022 June 14; Revised 2022 June 20; Accepted 2022 June 21.

Abstract

본 연구에서는 단일유체노즐을 이용하여 축방향 위치에 따른 미분무 특성이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. 물 공급 유량이 200∼350 g/min인 조건에서, 축방향(즉, 노즐 출구에서 미분무가 분사되는 하류 방향)으로 200∼1000 mm인 위치에서 열복사 감쇠 성능을 측정하였다. 또한, 미분무 생성 시 물 공급 압력과 미분무의 액적 크기를 측정하였고, 미분무 가시화를 수행하였다. 실험 결과, 물 공급 유량이 증가함에 따라 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능이 향상되었다. 전체적으로 미분무에 의한 열복사 감쇠율은 12.4∼30.1%로 측정되었다. 축방향 위치가 200∼400 mm인 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 미분무의 열복사 감쇠 성능은 향상되었는데, 이는 분무폭 증가에 의한 열복사 감쇠 성능 향상 효과가 액적 크기 증가에 의한 열복사 감쇠 성능 저하 효과에 비해 지배적이기 때문으로 판단된다. 또한, 축방향 위치가 400∼1000 mm인 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 미분무의 열복사 감쇠 성능이 저하되었는데, 이는 미분무의 액적 크기가 증가하고 분무폭은 좁아지기 때문으로 판단된다. 본 연구를 통해 축방향 위치에 따른 미분무 특성과 열복사 감쇠 성능은 밀접한 연관이 있음을 확인할 수 있었다.

Trans Abstract

In this study, the effects of water mist characteristics according to the axial position on thermal radiation attenuation performance were experimentally investigated using the single-fluid nozzle. Under the water flow rate conditions of 200∼350 g/min, the thermal radiation attenuation performance was measured at the axial position (i.e., downstream direction of water mist from nozzle exit) of 200∼1000 mm. In addition, during the discharge of water mist, the water supply pressure and droplet size of water mist were measured and the water mist was visualized. As a result, with an increase in the water flow rate, the thermal radiation attenuation performance was improved. Overall, the attenuation rate was measured to be 12.4∼30.1%. In the axial position of 200∼400 mm, with an increase in the axial distance from the nozzle exit, the thermal radiation attenuation performance was improved. This may be because the effect of improvement of the thermal radiation attenuation performance by an increase in the spray width is predominant over the effect of reduction in it by an increase in the droplet size. In addition, in the axial position of 400∼1000 mm, with an increase in the axial distance from the nozzle exit, the thermal radiation attenuation performance was reduced. This is because the droplet size of water mist increases and spray width is narrowed. Based on this study, it was confirmed that the water mist characteristics according to the axial position and thermal radiation attenuation performance are closely correlated.

Keywords: Thermal radiation attenuation; Water mist; Water mist characteristics; Axial position

1. 서 론

환경 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 할론(Halon) 소화약제를 대체할 수 있는 친환경적인 소화약제에 대한 관심이 증대되었고, 할론 소화약제를 대체할 수 있는 대안으로 미분무(water mist)가 각광받고 있다(1-3). 미분무는 친환경적이고, 화재 소화 시 물 소모량이 적고 수손의 피해를 줄일 수 있는 장점(1-3)이 있다고 알려져 있으며, 기존에 미분무를 이용한 화재 소화 현상에 대한 다양한 연구(4-10)가 보고된 바 있다.

한편, 미분무는 화재 확산을 효과적으로 방지해야 하는 문화재, 위험물 시설 등에 대한 화재 방호 설비에도 활용될 수 있다(11-13). 화재 발생 시 화원으로부터 방사되는 열복사(thermal radiation)에 의해 주변으로 화재가 확산될 수 있다(14). 이때, 화원과 주변 가연물 사이에 물분무(water spray)를 형성시키면 물 액적에 의해 열복사가 감쇠되어 화재 확산을 효과적으로 저지할 수 있고, 이를 통해 손실을 최소화할 수 있다(14). 물 액적에 의한 열복사 감쇠(thermal radiation attenuation)와 관련하여 연구 결과가 일부 보고된 바 있다.

Dembele 등(13)은 물분무의 열복사 감쇠 효과에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 물의 공급 압력과 유량이 증가함에 따라 감쇠 성능이 향상되었는데 이는 액적의 크기가 감소하고 액적 밀도가 증가하기 때문이라고 보고하였다. Gonome 등(14)은 열복사 감쇠에 대한 액적의 최적 크기에 대한 연구를 수행하였고, 열복사 감쇠를 극대화하기 위한 최적의 액적 크기는 2.0～4.0 µm라고 보고하였다. Murrell 등(15)은 4종류의 노즐(nozzle)을 이용하여 미세물분무의 열복사 감쇠 성능을 실험을 통해 평가하였다. 주어진 노즐에서 물 공급 유량이 증가하고 액적 직경이 감소함에 따라 열복사 감쇠 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 열복사 감쇠 측면에서 최적화된 성능은 유량이 많고 액적의 크기는 작으며, 액적의 속도가 낮은 조건에서 얻을 수 있다고 보고하였다. Cheung(16)은 수막의 형태와 수막의 열복사 감쇠 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 해당 연구를 통해 작동 압력, 유량, 화재 크기(fire size), 드렌처 노즐(drencher nozzle)의 영향을 파악하였다. 연구 결과, 높은 작동 압력과 유량 조건이 열복사 감쇠 성능을 향상시켰다. 화재 크기가 증가함에 따라 수막에 의한 감쇠 효율(attenuation efficiency)이 증가하였다. 또한 작은 오리피스(orifice) 크기의 노즐이 더 높은 감쇠 효과를 나타냈는데 이러한 경향에 대한 이유로 작은 노즐이 큰 노즐에 비해 작은 크기의 액적들을 생성할 수 있기 때문이라 보고하였다. Ko(17)는 fire dynamics simulator (FDS)를 이용하여 미세물분무의 분사 유량, 액적 크기 및 분무각이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 전산 해석 결과, 유량이 증가하고 액적 크기가 감소함에 따라 열복사 감쇠 성능은 향상되는 것으로 나타났다. 또한 분사각이 클수록 열복사 감쇠 성능이 향상되었는데 이를 통해 열복사 경로에 액적들이 더 넓게 분포하면 열복사 감쇠 성능이 향상될 수 있다고 보고하였다. Jo와 Lee(18)는 2가지 분사 면적의 2유체노즐(twin-fluid nozzle)을 이용하여 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능에 대한 실험을 수행하였다. 물과 공기의 공급 유량의 증가는 열복사 감쇠율을 증가시켰고, 분사 면적이 작은 2유체노즐이 더 높은 열복사 감쇠율을 나타낸다고 보고하였다. 이와 같이 기존에 미분무의 열복사 감쇠 효과에 대한 연구가 다양하게 이루어졌으나, 미분무 내 위치에 따른 열복사 감쇠 효과 분석에 대한 연구는 수행되지 않았다. 미분무가 분사될 때 위치별로 미분무 특성이 달라질 수 있고, 이로 인해 열복사 감쇠 성능이 영향을 받을 수 있다. 위치별 미분무 특성과 열복사 감쇠 성능 간 상관관계 파악은 화재 확산 방지를 위한 미분무 노즐 설치 시 유용한 정보로 활용될 수 있으므로, 이에 대한 연구가 수행될 필요가 있다.

본 연구에서는 축방향 위치에 따른 미분무 특성이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 실험을 통해 검토하였다. 다양한 물 공급 유량 조건에서 단일유체노즐(single-fluid nozzle)을 이용하여 미분무를 생성시키고, 다양한 미분무의 축방향(즉, 노즐 출구에서 미분무가 분사되는 하류 방향) 위치에서 열복사 감쇠 성능을 측정하였다. 또한 미분무 생성 시 물 공급 압력과 미분무의 액적 크기를 측정하였고, 미분무 가시화를 수행하였다. 이를 토대로 축방향 위치에 따른 미분무 특성과 열복사 감쇠 성능 간 상관관계에 대해 분석하였다.

2. 실험 세부 사항

2.1 실험 장치

Figure 1에 축방향 위치에 따른 미분무 특성이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 측정하기 위해 구축한 실험 장치의 개략도를 나타내었다. 복사 열원으로, 100 mm (폭) × 250 mm (높이) 크기의 히터(heater, OMEGA, QH-041060-T)를 이용하였고, 히터로부터 방사된 복사 열유속을 측정하기 위해 히터 표면 중앙에서 650 mm 떨어진 지점에 수냉식 열유속계(Hukseflux Thermal Sensors B.V., SBG01-010, 측정 범위: 0～10 kW/m²)를 설치하였다. 히터 표면과 열유속계 간 거리는 노즐에서 미분무 분사 시 미분무 액적이 히터 표면과 열유속계에 닿지 않는 조건을 고려하여 결정하였다. 열유속계를 통해 측정한 열유속 데이터는 데이터 수집장치를 통해 노트북(notebook)에 1 s 당 1개 씩(즉, sampling rate = 1 Hz) 저장하였다. 한편, 본 연구에서는 미분무를 생성 및 분사하기 위해 상용 단일유체노즐(Spraying Systems Co., UniJet, TN-3)을 이용하였다. 노즐 오리피스 직경은 0.71 mm이고, 분사되는 미분무의 형태는 중실원추형이다. 노즐은 히터와 열유속계의 중간(즉, 히터와 열유속계로부터 각각 325 mm 떨어진 위치)에 설치하였고, 축방향 위치에 따른 미분무 특성이 열복사 감쇠에 미치는 영향을 측정하기 위해 노즐을 수직 1축 수동 이송장치에 설치하여 노즐 높이를 변경시킬 수 있도록 하였다. 즉, 미분무의 축방향 위치에 따른 열복사 감쇠 성능 측정 실험의 경우, 히터와 열유속계의 위치는 고정된 상황에서 미분무가 분사되는 노즐의 높이를 변경시켜 수행하였다. 물탱크(water tank)로부터 노즐에 물을 공급하기 위해 마이크로 기어 펌프(micro gear pump)를 이용하였고, 노즐에 공급되는 물의 유량을 계산하기 위해 전자 저울을 설치하여 일정 시간 동안 물탱크의 무게 변화를 측정하였다.

Figure 1

Schematic diagram of experimental setup for thermal radiation attenuation performance measurement.

Figure 2에 축방향 위치에 따른 미분무의 액적 크기 측정을 위한 실험 장치의 개략도를 나타내었다. 해당 장치를 이용하여 미분무의 액적 크기와 함께 물 공급 압력을 측정하였고, 노즐로부터 분사되는 미분무를 가시화하였다. Figure 1에 나타낸 미분무의 열복사 감쇠 성능 측정 장치와 동일하게, 노즐에 마이크로 기어펌프를 이용하여 물을 공급하였고, 물의 공급 유량은 물탱크의 무게 변화와 시간을 측정하여 도출하였다. 물 공급 압력을 측정하기 위해 노즐의 입구 쪽에 압력 트랜스미터(pressure transmitter)를 설치하였고, 데이터 수집장치를 이용하여 1 s 당 1개 씩의 데이터를 노트북에 저장하였다. 미분무의 액적 크기의 경우, phase doppler particle analyzer (PDPA, TSI)를 이용하여 Sauter mean diameter (SMD, D₃₂)와 volume median diameter (VMD, Dv_0.5)를 측정하였다. 자동 이송장치를 이용하여 PDPA의 송신기 프로브(transmitter probe)와 수신기 프로브(receiver probe)를 높이 방향으로 이동시켜 열복사 감쇠 측정과 동일한 축방향 위치에서 미분무의 액적 크기를 측정하였다. 한편, 본 연구의 모든 물 공급 유량 조건에서 2개의 light-emitting diode (LED) 조명과 디지털 카메라(digital camera)를 이용하여 노즐에서 분사되는 미분무의 가시화를 수행하였다.

Figure 2

Schematic diagram of experimental setup for water mist droplet size and water supply pressure measurements.

2.2 실험 조건, 방법 및 데이터 처리

축방향 위치에 따른 미분무의 열복사 감쇠 성능 측정을 위한 실험 조건은 다음과 같다. 실험 시 히터 표면의 온도는 히터의 안전성을 고려하여 설정하였고, 열화상 카메라로 확인한 결과, 710 ± 10 °C로 측정되었다. 한편, 본 실험에서 미분무가 분사되지 않는 조건에서의 열유속은 1.01 ± 0.01 kW/m²로 측정되었다. 노즐의 높이(H in Figure 1)는 히터 표면 중심(즉, 열유속계 중심)과 노즐의 출구 간 거리를 의미하고, 축방향(즉, 노즐 출구에서 미분무가 분사되는 하류 방향) 위치 200～1000 mm의 범위 내에서 100 mm 간격으로 변화시켰다. 총 9가지 축방향 위치 조건에서 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능을 측정하였고, 각 위치 조건에서 물 공급 유량은 200, 250, 300, 350 g/min으로 변화시켰다. 즉, 총 36가지 조건(9가지 축방향 위치 및 4가지 물 공급 유량 조건)에서 4회의 반복 실험을 수행하였다. 한편, 축방향 위치에 따른 미분무의 액적 크기 측정의 경우 히터와 열유속계가 설치되지 않은 상황에서 열복사 감쇠 측정 실험과 동일한 축방향 위치(즉, 200～1000 mm의 범위 내에서 100 mm 간격) 및 물 공급 유량(200, 250, 300, 350 g/min) 조건에서 수행하였다.

열복사 감쇠 실험 방법 및 데이터 처리 방법을 설명하기 위해 Figure 3에 물 공급 유량 350 g/min, 축방향 위치 400 mm 조건에서 측정한 시간에 따른 열유속 데이터(예)를 나타내었다. 실험 방법은 다음과 같다. 열유속계에 연결된 항온 수조를 작동시켰고, 충분한 시간이 지난 후 히터를 작동시켜 설정한 히터 표면 온도가 될 때까지 기다렸다. 설정한 히터 표면 온도에 도달 이후 해당 온도가 일정하게 유지되는지 열화상 카메라를 이용하여 확인하였다. 이후 데이터 수집장치를 실행시켜 열유속계를 통해 열유속을 측정하였다. 약 75 s에서 미분무를 분사하였고, 이때 열유속이 급격하게 감소한 후 일정하게 유지되는 경향이 관찰되었다. 미분무를 140 s까지 계속하여 분사하였고 이후 실험을 종료하였다.

Figure 3

Exemplified variation of heat flux with time (e.g., water flow rate = 350 g/min and axial distance from nozzle exit = 400 mm).

열복사 감쇠 실험 데이터의 처리 방법은 다음과 같다. 미분무를 분사하지 않은 10～70 s 구간에서 측정된 열유속의 평균값을 U₀, 미분무를 분사한 80～140 s 구간에서 측정된 열유속의 평균값을 U 로 나타내었다. U₀-U는 열복사 감쇠량(attenuated heat flux)을 의미하고, 열복사 감쇠율(attenuation rate, γ)은 아래의 식 (1)(18)을 이용하여 계산하였다.

(1)γ=U0−UU0×100[%]

3. 실험 결과 및 분석

3.1 열복사 감쇠 성능

Figure 4에 미분무 분사 시 축방향 위치(y축)에 따른 복사 열유속(x축, 식 (1)의 U) 측정 결과를 나타내었다. y축에 나타낸 축방향 위치의 경우, 앞서 언급한 바와 같이 노즐의 출구로부터 미분무가 분사되는 하류 방향으로의 거리를 의미한다. Figure 4에 나타낸 바와 같이 모든 축방향 위치에서 물 공급 유량이 증가함에 따라 측정된 열유속이 감소하였다. 각 물 공급 유량 조건에서 측정된 열유속은 200 g/min인 경우 0.848～0.896 kW/m², 250 g/min인 경우 0.785～0.866 kW/m², 300 g/min인 경우 0.743～0.836 kW/m², 350 g/min인 경우 0.713～0.808 kW/m²로 나타났다. 이와 같은 측정 결과를 토대로 볼 때, 물 공급 유량이 많은 경우가 적은 경우에 비해 축방향 위치 변화에 따른 측정된 열유속의 최댓값과 최솟값 간 차이가 더 큰 것으로 나타났다. 한편, 축방향 위치가 200～400 mm 구간에서는 축방향 위치가 노즐로부터 멀어짐에 따라 측정된 열유속이 감소하였으나 400 mm 지점 이후에서는 축방향 위치가 노즐로부터 멀어짐에 따라 열유속이 증가하는 것으로 측정되었다.

Figure 4

Measured heat flux according to axial distance from nozzle exit under various water flow rate conditions.

Figure 5에는 축방향 위치에 따른 미분무 분사에 의한 열복사 감쇠량(식 (1)의 U₀-U)을 나타내었다. 열복사 감쇠량의 경우, 전체적으로 물 공급 유량이 증가함에 따라 증가하였다. 한편, 각 물 공급 유량 조건에서 축방향 위치가 200～400 mm인 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 열복사 감쇠량이 증가하였으나 400 mm 지점 이후부터는 거리가 멀어짐에 따라 열복사 감쇠량이 감소하는 경향이 관찰되었다. 한편, 각 물 공급 유량 조건에서 측정된 열복사 감쇠량은 200 g/min인 경우 0.127～0.168 kW/m², 250 g/min인 경우 0.154～0.236 kW/m², 300 g/min인 경우 0.183～0.277 kW/m², 350 g/min인 경우 0.206～0.307 kW/m²으로 나타났다.

Figure 5

Attenuated heat flux by water mist according to axial distance from nozzle exit under various water flow rate conditions.

Figure 6에 축방향 위치에 따른 열복사 감쇠율(식 (1)의 γ)을 나타내었다. 열복사 감쇠율은 Figure 5의 열복사 감쇠량과 유사한 경향을 나타내었다. 즉, 물 공급 유량이 증가함에 따라 열복사 감쇠율은 증가하였고, 노즐 출구로부터 약 400 mm 떨어진 위치를 기준으로 노즐 출구와 거리가 가까운 구간(축방향 위치가 200～400 mm인 구간)에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 열복사 감쇠율이 증가하였으나 그 이후(축방향 위치가 400～1000 mm인 구간)에는 감소하는 경향이 관찰되었다. 각 유량 조건에서 측정된 열복사 감쇠율은 200 g/min인 경우 12.4～16.6%, 250 g/min인 경우 15.2～23.1%, 300 g/min인 경우 18.0～27.2%, 350 g/min인 경우 20.4～30.1%로 나타났다.

Figure 6

Attenuation rate by water mist according to axial distance from nozzle exit under various water flow rate conditions.

3.2 미분무 특성

Figures 4～6의 측정 결과를 토대로 볼 때, 물 공급 유량이 증가함에 따라 측정된 열유속이 감소하고 열복사 감쇠량 및 열복사 감쇠율이 증가하는 경향이 관찰되었다. 즉, 물 공급 유량의 증가에 따라 열복사 감쇠 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 한편, 노즐 출구로부터 약 400 mm 떨어진 위치를 기준으로, 축방향 위치에 따른 열유속, 열복사 감쇠량 및 열복사 감쇠율의 경향이 변화함을 확인하였다. 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능은 물 공급 유량, 미분무의 액적 크기 및 분무폭 등에 의해 영향을 받는다고 알려져 있다(17). 본 연구에서는 Figures 4～6의 열복사 감쇠 성능 측정 결과 분석을 위해 모든 물 공급 유량 조건에서 축방향 위치에 따른 미분무의 액적 크기를 측정하고 미분무의 가시화를 수행하였다.

미분무 생성 시 노즐의 물 공급 압력 데이터는 노즐을 화재 방호 설비에 적용할 때 고려해야 할 중요한 기초 자료 중 하나이다. 본 연구에서 사용한 노즐에 대해 미분무 생성 시 물 공급 유량에 따른 압력을 측정하였고, Figure 7에 해당 결과를 나타내었다. 예상한 바와 같이 물 공급 유량이 증가함에 따라 물 공급 압력이 증가하였고, 본 실험 조건에서 측정된 물 공급 압력은 251～810 kPa로 측정되었다.

Figure 7

Water supply pressure of nozzle under various water flow rate conditions.

Figure 8에 물 공급 유량에 따른 축방향 위치에서의 액적 크기(SMD와 VMD) 측정 결과를 나타내었다. Figure 8(a)에 나타낸 바와 같이 물 공급 유량이 감소하고 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 SMD가 증가하는 경향이 관찰되었다. 각 유량 조건에서 측정된 SMD는 200 g/min인 경우 155～247 µm, 250 g/min인 경우 77～175 µm, 300 g/min인 경우 51～149 µm, 350 g/min인 경우 41～132 µm로 나타났다. 또한, Figure 8(b)에 나타낸 VMD 측정 결과에서도 물 공급 유량이 감소하고 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 VMD가 증가하는 경향이 나타났다. 각 유량 조건에서 측정된 VMD는 200 g/min인 경우 209～272 µm, 250 g/min인 경우 93～204 µm, 300 g/min인 경우 57～171 µm, 350 g/min인 경우 44～156 µm로 나타났다.

Figure 8

Droplet size of water mist according to axial distance from nozzle exit under various water flow rate conditions.

Figure 9에 각 물 공급 유량 조건에 대한 미분무의 가시화 결과를 나타내었다. 물 공급 유량이 많은 경우가 적은 경우에 비해 액적 밀도가 높아지고 분무폭이 넓어지는 것처럼 관찰되었다. 모든 물 공급 유량 조건에서 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 분무폭이 넓어졌고, 축방향 위치가 400 mm인 지점 근방(즉, 300～500 mm 구간 내)에서 최대 분무폭이 관찰되었다. 한편, 축방향 위치가 400 mm인 지점 이후에는 축방향 위치가 400 mm인 경우에 비해 분무폭이 좁아지는 것으로 나타났다.

Figure 9

Visualization of water mist under various water flow rate conditions.

Figures 8과 9에 나타낸 미분무의 액적 크기와 가시화 결과를 토대로 Figures 4～6에 나타낸 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능 측정 결과를 분석하였다. 본 실험 결과에서 물 공급 유량이 증가함에 따라 열복사 감쇠 성능이 향상되는 것으로 나타났는데, 이러한 경향이 나타난 이유는 물 공급 유량이 증가함에 따라 액적 크기가 감소하고, 이로 인해 열복사를 감쇠시킬 수 있는 미분무 액적의 개수 및 전체 표면적이 증가(17,18)하기 때문으로 판단된다. 기존 연구(17,18)에서도 물 공급 유량이 증가하고 액적 크기가 감소함에 따라 열복사 감쇠 성능이 향상된다고 보고된 바 있다. 한편, 축방향 위치가 200～400 mm인 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 열복사 감쇠 성능이 향상되는 경향이 나타났다. 이 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 액적 크기가 증가하고 분무폭이 넓어졌다. 일정한 물 공급 유량 조건에서 액적 크기의 증가는 열복사 감쇠 성능을 저하시키지만, 분무폭의 증가는 열복사 감쇠 성능을 향상(17)시킬 수 있다. 이러한 결과를 토대로 볼 때, 축방향 위치가 200～400 mm인 구간에서는 분무폭 증가에 의한 열복사 감쇠 성능 향상 효과가 액적 크기 증가에 의한 열복사 감쇠 성능 저하 효과에 비해 지배적인 것으로 판단된다. 축방향 위치가 400～1000 mm인 구간의 경우, 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 액적 크기는 증가하고 축방향 위치가 400 mm인 경우보다 분무폭이 좁아졌다. 액적 크기의 증가와 분무폭의 감소는 열복사 감쇠 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 실험의 해당 축방향 거리 구간에서 노즐 출구로부터 거리가 증가함에 따라 열복사 감쇠 성능이 저하되는 것으로 판단된다.

본 연구를 통해 축방향 위치에 따른 미분무 특성과 열복사 감쇠 성능은 밀접한 연관이 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 제한적인 조건이지만 본 실험 결과를 토대로, 액적 크기와 분무폭이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 상대적으로 평가할 수 있었고, 이를 통해 실제 화재 확산 방지를 위한 미분무 노즐 설치 시 화원의 크기와 위치, 노즐로부터 분사되는 미분무의 폭을 고려하여 노즐의 설치 위치를 결정해야 할 것으로 판단된다. 한편, 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능을 예측하기 위해서는 미분무 특성과 열복사 감쇠 성능 간 의존성(dependence)을 정량적으로 파악하는 것이 중요하고, 추후 이에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 생각된다.

4. 결 론

본 연구에서는 단일유체노즐을 이용하여 축방향 위치에 따른 미분무 특성이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. 물 공급 유량은 200～350 g/min, 축방향(즉, 노즐 출구에서 미분무가 분사되는 하류 방향) 위치는 200～1000 mm인 조건에서 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능(열유속, 열복사 감쇠량, 열복사 감쇠율)을 측정하였다. 또한, 미분무 생성 시 물 공급 압력과 미분무의 액적 크기를 측정하였고, 미분무 가시화를 수행하였다. 본 연구의 주요 결과를 아래에 정리하였다.

(1) 물 공급 유량이 증가함에 따라 미분무에 의한 열복사 감쇠 성능이 향상되었다. 즉, 물 공급 유량이 증가함에 따라 측정된 열유속이 감소하고 열복사 감쇠량 및 열복사 감쇠율이 증가하였다. 한편, 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 축방향 위치가 200～400 mm인 구간에서는 열복사 감쇠 성능이 향상되었고, 축방향 위치가 400～1000 mm인 구간에서는 열복사 감쇠 성능이 저하되었다. 본 실험 조건에서 측정된 미분무에 의한 열복사 감쇠율은 12.4～30.1%로 나타났다.
(2) 물 공급 유량이 증가함에 따라 물 공급 압력이 증가하였고, 액적 크기(SMD와 VMD)는 감소하였다. 본 실험 조건에서 물 공급 압력은 251～810 kPa, 미분무 액적의 SMD는 41～247 µm, VMD는 44～272 µm로 측정되었다.
(3) 축방향 위치가 200～400 mm인 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 열복사 감쇠 성능이 향상되는 경향이 나타났다. 또한, 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 액적 크기가 증가하고 분무폭이 넓어졌다. 따라서, 해당 축방향 위치 구간에서는 분무폭 증가에 의한 열복사 감쇠 성능 향상 효과가 액적 크기 증가에 의한 열복사 감쇠 성능 저하 효과에 비해 지배적인 것으로 판단된다.
(4) 축방향 위치가 400～1000 mm인 구간에서는 노즐 출구로부터 거리가 증가함에 따라 열복사 감쇠 성능이 저하되는 것으로 나타났는데, 이는 노즐 출구로부터 거리가 멀어짐에 따라 액적 크기는 증가하고 축방향 위치가 400 mm인 경우보다 분무폭이 좁아졌기 때문으로 판단된다.

후 기

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021R1F1A1064002). 이 논문은 2022년도 한국안전학회 춘계학술대회(2022년 5월 11일～13일, 메종글래드호텔 제주 / Paper No. PA-05)에서 발표한 내용을 수정, 보완 및 발전시켜 작성하였음.

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