수평 및 수직으로 긴 구획실 내 화재시 벽면 열전달 특성 분석에 관한 연구
Numerical Study on the Wall Heat Transfer during the Horizontal and Vertical Elongated Compartment Fire
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Abstract
본 연구에서는 수평 및 수직으로 길게 형성된 구획실에서의 화재시 공간적 특성 및 환기 조건에 따른 벽면으로의 열전달 변화를 검토하기 위해 fire dynamics simulator를 이용하여 전산시뮬레이션을 수행하였다. 화재 시나리오는 구획실의 수평 및 수직 공간적 특성과 개구부 개폐 여부를 조건으로 설정하였다. 수평⋅수직 구획실의 형상과 개구부의 크기는 관련 법률 기준을 기반으로 모델링하였다. 시뮬레이션 수행 결과, 수평 및 수직 구획실 내 화재에서 벽면으로 전달되는 복사 및 대류열유속을 비교하였다. 수평 구획실에서는 벽면으로 복사 및 대류열유속은 개구부 개폐 여부에 관계없이 유사한 값이 측정되었다. 수직 구획실에서는 개구부 폐쇄시 벽면으로의 열유속이 증가하여 개구부 개폐여부에 따른 벽면으로의 열유속 차이가 발생하였다. 또한, 개구부 폐쇄시 전체 열유속 중 복사열유속이, 개구부 개방시 대류열유속이 더 큰 비중을 차지하였다. 추가적으로, 주변 기류의 온도와 속도, 벽면 특성 등 다양한 요소에 따라 결정되는 대류열전달계수를 구획실 내 온도 및 속도 결과와 비교하였다.
Trans Abstract
In this study, numerical simulations were performed using a Fire Dynamics Simulator to examine the variation in heat transfer to wall surfaces during horizontal and vertical fires with elongated compartments. Fire scenarios were established based on the compartment geometries and the presence of openings. The sizes of the compartments and openings were modeled in accordance with relevant legal standards. The simulation results were analyzed for radiative and convective heat fluxes to the wall surfaces in horizontal and vertical fires with elongated compartments. In the horizontal compartment, both the radiative and convective heat fluxes to the wall showed similar results, regardless of the opening conditions. In the vertical compartment, the wall heat flux increased when the openings were closed and exhibited a distinct difference depending on the opening conditions. In addition, the radiative heat flux became more dominant when the opening was closed, whereas the convective heat flux became more dominant when it was open. In addition, the convective heat transfer coefficient, which depends on various factors, was compared with the temperature and velocity results within the compartments.
1. 서 론
지난 5년간 국내에서 발생한 건축물 화재는 약 12만건으로 주거시설, 편의시설 및 업무시설을 포함한 다양한 장소에서 매우 빈번하게 발생하고 있다(1). 건축물 내부에서 발생하는 화재는 구획된 벽면 및 천장을 따라 이동하며 주변으로 빠르게 확산된다. 특히 복도, 샤프트와 같이 수평 및 수직으로 길게 형성된 구획실은 주로 건축물 내 이동에 사용되는 공간으로 다수의 구획실과 접하고 있다. 또한, 수평 및 수직 구획실의 화재는 공간적 특징 및 환기 조건에 따라서 다양하게 변화하기에, 그 위험성이 매우 높은 공간이다.
이러한 구획실에서 발생한 화재가 확산되는 과정에서 생성된 고온의 기류는 주변 벽면으로 열을 전달한다. 벽면으로 전달되는 열은 벽지, 단열재와 같은 가연물의 착화로 이어져 화재의 규모를 키울 수 있다. 또한, 장시간 고온의 열에 노출된 벽면은 건축물의 구조적 안정성에도 영향을 줄 수 있으므로, 화재시 벽면으로의 열전달에 대한 분석이 필요하다. 벽면으로의 열전달은 주로 유체의 이동에 의한 대류와 전자기파를 통한 복사로 구분된다. 매질의 영향을 크게 받지 않는 복사에 의한 열전달과는 달리 대류에 의한 열전달은 유체의 이동에 따른 열전달 과정이기에 기류의 온도와 속도에 영향을 받는다. 기류의 온도와 속도는 공간적 특성 및 환기 조건에 따라 변화하기에 벽면으로의 대류열전달 현상에도 영향을 준다(2). 따라서 수평 및 수직으로 길게 형성된 구획실 화재시 환기 조건에 따른 벽면으로의 대류열전달에 대한 연구가 이루어져야 한다.
수평 및 수직 긴 구획실에서 발생하는 화재에 대한 다양한 연구가 수행되고 있다. Suzuki(3)는 Alpert(4)의 상관식을 기반으로 비정상상태의 천장 온도 예측 상관식을 제안하고 실험과 비교를 통해 제안된 상관식의 타당성을 검증하였다. Hu 등(5)은 한쪽 공간이 폐쇄된 수평으로 긴 복도 구획실 내 화원의 열방출률 변화에 따른 천장 제트의 온도 및 속도 측정 실험을 수행을 통해 지수 방정식 형태의 온도 및 속도 상관식을 제안하였고, 이를 Bailey 등(6)의 온도 상관식과 비교하였다. Shi 등(7)은 수직으로 긴 구획실인 비상계단 내 화재시 화원의 크기 및 개구부 조건에 따른 온도감쇠계수의 분석을 통해 개구부가 존재함에 따라 대류를 통한 열손실의 영향이 증가함을 확인하였다. Kim과 Ahn(8)은 전산 시뮬레이션을 통해 초고층 건축물 내 계단실의 화재 현상을 분석하여 발열량 및 환기 조건에 따른 연기 선단 접촉면이 상승하는 시간에 대한 상관식을 제안하였다.
화재시 벽면으로의 대류열전달은 뉴턴의 냉각법칙에 의해 유체와 벽면 간 온도차와 대류열전달계수의 곱으로 나타내어진다. 여기서 대류열전달계수는 유체의 온도, 속도뿐만 아니라 벽면의 형상, 거칠기 등 다양한 변수에 영향을 받는다(2). 화재시 변수에 따라 변화하는 대류열전달계수의 값의 기준을 도출하기 위한 연구가 수행되었다. Society of fire protection engineers는 화재 실험을 기반으로 실제 화재에서 노출된 표면의 대류열전달계수를 30 W/m2⋅K로 제안하였다(9). 콘크리트 구조물의 구조적 화재 설계에 대한 유럽 표준 기준인 Eurocode 2: design of concrete structures에서는 화재시 열에 노출된 표면과 노출되지 않는 표면의 대류열전달계수는 각각 25 W/m2⋅K와 4 W/m2⋅K로 제안하였다(10). 변화하는 대류열전달계수의 특징을 고려하기 위해 특정 요소에 따라 계산되는 대류열전달계수의 경험상관식이 제안되었다. Livkiss 등(11)은 단순화된 단일 및 평행 수직 벽면에서의 화재시 대류열전달 모델 및 격자 크기에 따른 벽면 열전달의 변화를 확인하고, 평행한 수직 벽면 내부 공간에서 대류열전달계수의 범위를 제시하였다. Ren과 Wang(12)은 경험적 상관식을 적용한 대류열전달 모델을 제안하고 이를 단일 및 평행 수직 벽면에서의 화재 현상 분석을 통해 검증하였다. Zhou 등(13)은 경험상관식을 적용한 전산유체역학(computational fluid dynamics) 프로그램을 이용하여 화재시 단일 철골 구조물에 대한 표면 온도를 예측하는 연구를 수행하여 새로운 대류열전달계수에 대한 상관식을 제안하였다. 하지만 건축물 화재시 공간적 구조 및 환기 조건에 따른 벽면의 대류열전달 특성을 분석한 연구는 수행되지 않았다.
이에 본 연구에서는 건축물 내 수평 및 수직으로 길게 형성된 구획실에서 발생하는 화재의 특성을 대표할 수 있는 단순화된 구획실을 구현하였다. 구현된 건축물의 공간적 특성과 환기 조건에 따라 변화하는 벽면으로의 복사 및 대류열전달 특성을 분석하고, 내부 기류의 온도 및 속도에 따른 대류열전달계수의 변화를 검토하였다.
2. 전산 시뮬레이션 방법 및 조건
2.1 화재 시뮬레이션(fire dynamics simulator, FDS)
본 연구에서는 단순화된 수평 및 수직 구획실의 화재 현상을 분석하기 위해 미국 표준 기술 연구소(national institute of standards and technology)에서 개발한 전산유체역학 프로그램인 FDS ver 6.8.0을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
FDS에서 사용된 난류해석기법은 대와동모사(large eddy simulation) 기법으로 공간에 대해서 filtering된 지배방정식을 이용해 난류 유동 해석을 수행하였으며, 사용된 지배방정식은 아래 식(1)~식(5)와 같다.
여기서, ρ는 밀도, ui는 속도텐서, p는 압력, τij는 점성응력텐서, τijsgs는 아격자 응력텐서, gi는 중력가속도, hs는 엔탈피, q̇’’’는 단위체적당 열발생률, q̇r’’는 복사열유속, k는 열전도도, T는 온도, Yα, Dα, ṁα’’’는 각각 화학종 α의 질량분율, 확산계수, 생성항을, W와 R은 각각 혼합기체의 분자량과 기체상수를 의미한다.
연소모델은 화재 현상의 가연물인 화원의 연소 반응이 연료와 산화제의 혼합시간(mixing time)에 의해 제어되는 난류 연소 모델을 사용하였으며, 식(6)과 같이 표현된다.
여기서, ṁF’’’, τmix, Z̃F, Z̃A, s는 각각 단위체적당 연료 소모율, 혼합시간, 연료와 공기의 질량분율, 공기의 이론혼합비 계수를 의미한다.
2.2 전산 시뮬레이션 조건
본 연구에서는 건축물 내 화재 현상을 비교하기 위해 국내 법률 기준에 따라 단순화된 수평 및 수직 구획실의 모델링을 수행하였다. 먼저 수평 구획실은 가로 30.0 m, 세로 2.4 m, 높이 4.0 m으로, 각 길이는 복도 내 최소 보행거리, 복도의 최소너비와 한 층의 높이(14)를 참고하여 설정하였다. 수직 구획실의 경우 수평 구획실과 동일한 체적의 가로 4.0 m, 세로 2.4 m, 높이 30.0 m의 샤프트 구획실을 모델링하였다. 각 구획실 내 화재시 온도, 속도, 벽면 열유속, 대류열전달계수를 측정하였으며, Figure 1에 각 구획실의 개략도와 측정 위치를 나타내었다.
Schematics of compartment and measurement points.
시뮬레이션에서 사용된 화원은 소파로 가정한 polyurethane으로 설정하였으며, 화원이 최대 열방출률까지 도달하는 시간을 150 s (fast growth)로 설정하였다. 화원의 크기는 가로 0.8 m, 세로 0.8 m, 높이 1.0 m이며, 화원의 위치는 Figure 1과 같이 각 구획실 중앙선(Y = 1.4 m)에 위치한다. 벽면의 경우 건축물의 수평 및 수직 구획실 내 불연재료로 사용되는 콘크리트를 사용하였으며, 해당 콘크리트의 물성치는 Table 1과 같다(15).
Properties of Concrete Material
본 연구에서는 수평 및 수직 구획실 내 화재시 개구부 개폐 여부에 따라 변화하는 벽면의 열전달 현상을 검토하고자 한다. 먼저 화원의 최대 열방출률은 소파의 열방출률인 1.1 MW로 설정하였다(16). 또한, 화원 근처의 개구부가 폐쇄 및 개방된 경우를 시뮬레이션 조건으로 설정하였으며, 개구부의 크기는 실제 건축물 내 수평 및 수직 구획실에 다수 설치되어있는 방화문 크기 규정(14)을 참고하여 가로 0.9 m, 세로 2.0 m로 설정하였다. 상세 시뮬레이션의 조건은 Table 2에 정리하여 나타내었다.
Simulation Conditions
2.3 격자 적정성 평가
미국원자력위원회(NUREG)의 NUREG-1824에 따르면 화재 시뮬레이션의 적절한 격자(mesh) 크기는 D*/dx가 4~16 범위에 해당하는 격자 크기가 화재를 적절하게 예측할 수 있다(17).
여기서, D*는 특성 화재 길이를, Q̇는 최대 열방출률, ρ∞, Cp, T∞ g는 각각 공기의 밀도, 비열, 주변 온도와 중력가속도를 나타낸다. 식(7)을 통해 화원의 최대 열방출률인 1.1 MW에 대한 따른 화재 특성 길이는 0.99 m이며, D*/dx가 4~16 범위에 근접하는 격자 크기 중 0.05 m, 0.10 m, 0.20 m에 대한 격자 민감도 분석을 수행하여 예측 오차를 최소화하였다. Figure 2는 시간에 따른 온도 및 속도 결과에 대한 격자 민감도 분석을 수행한 결과로, Figure 2(a)는 온도, Figure 2(b)는 속도에 대한 민감도 분석 결과를 나타낸다. 단순화된 공간 특성을 고려하여 화원과 가장 먼 곳의 측정 결과를 통해 격자 민감도 해석을 수행하였다. Figure 2(a)에서 수평 구획실의 온도 결과는 모든 격자에서 유사한 값을 보였으나, Figure 2(b)의 속도 결과는 격자 크기가 가장 큰 0.20 m 조건에서의 속도가 다른 두 격자에 비해 과대 예측되었다. 이외의 0.05 m와 0.10 m 격자 크기에 따른 결과는 유사한 속도 결과를 보였으며, 수직 구획실에서는 격자 크기에 대한 오차가 발생하지 않았다. 따라서, 계산수행의 효율성을 위해 전산 시뮬레이션 내 수평 및 수직 구획실의 격자 크기를 0.10 m로 선정하였으며, 계산에 사용된 격자의 개수는 총 288만 개다. 또한, 전산 시뮬레이션의 총 계산 시간은 500 s로 설정하였고, 화재가 정상상태에 도달하였다고 판단되는 200~500 s의 전산 시뮬레이션 결과를 시간에 대해 평균하여 이를 분석하였다.
Mesh sensitivity analysis of Case H-1 measured at X = 30.0 m, Y = 1.4 m, Z = 3.9 m.
3. 시뮬레이션 결과 및 분석
3.1 수평 및 수직 구획실 내 온도 및 속도
Figure 3은 수평 및 수직 구획실 중앙선(Y = 1.4 m)에서 내부 온도 및 속도 결과를 나타내었다. 먼저 Figure 3(a)에서는 수평 구획실 화재시 2.6 m의 높이를 기준으로 다른 온도 결과가 측정되는 것을 확인하였다. 2.6 m의 높이보다 낮은 위치에서는 외기의 유입으로 낮은 온도가 측정되었으며, 높은 위치에서는 화원에서 발생한 고온의 열 및 연기가 천장을 따라 이동하는 제트 기류로 인해 높은 온도가 측정되었다. 이는 Figure 3(b)인 속도 분포 결과에서도 확인할 수 있으며, 수평 구획실 내 개구부의 개폐 여부는 온도 및 속도 결과에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. Figures 3(c)와 3(d)에서는 수직 구획실 내 화재시 내부 온도와 속도 결과에 대해 나타내었다. 수직 구획실에서 발생하는 고온의 기류는 높이가 증가함에 따라 감소하였다. 개구부 폐쇄 조건인 Case V-1의 경우 개구부 개방 조건인 Case V-2보다 더 높은 내부 온도가 측정되었다. 이는 개구부 개방시 외기의 유입으로 인해 비교적 낮은 온도가 측정된 것으로 판단된다. 또한, 외기의 유입으로 인해 개구부가 위치한 반대 방향에서 비교적 높은 속도가 측정되었다.
Temperature and velocity contours of horizontal and vertical compartment.
Figure 4는 각 구획실 내 중앙선(Y = 1.4 m)에서 유동 방향에 수직인 단면에 따라 측정된 온도 결과를 나타내었다. 모든 수평 및 수직 구획실 내 화재시 측정된 내부 온도는 벽면 근처에서 감소하는 것을 확인하였다. 수평 구획실의 경우 천장과 접촉하는 상부 온도가 점차 감소하는 것을 Figures 4(a)와 4(b)에서 확인할 수 있다. 수직 구획실 화재의 경우 좌우 벽면과 접촉하는 부분에서 온도가 감소하는 것을 Figures 4(c)와 4(d)에서 확인할 수 있다. 이는 화재시 발생한 고온의 열이 저온인 벽면과의 온도차로 인해 벽면으로 열을 전달하며 온도가 감소한 것으로 판단된다. 이러한 벽면 열전달을 분석하기 위해 높은 온도가 측정되는 수평 구획실의 천장 벽면과 수직 구획실의 우측 벽면에서 열전달 현상을 분석하였다.
Temperature results of horizontal and vertical compartment.
3.2 수평 및 수직 구획실 내 벽면 열전달
수평 및 수직 구획실 내 벽면으로의 열전달은 단위면적당 열량인 열유속을 통해 계산될 수 있다. 화재시 벽면으로 전달되는 열유속은 식(8)과 같이 복사열유속과 대류열유속의 합으로 표현된다. 복사열유속은 식(9), 대류열유속은 뉴턴의 냉각법칙에 따라 식(10)으로 계산된다.
여기서, ε는 벽면의 방사율(= 0.9), q̇’’inc는 벽면으로 입사되는 복사열유속, σ는 스테판-볼츠만 상수(= 5.67 × 10-8 W/m2⋅K4), hc는 대류열전달계수를 의미한다.
위 수식을 통해 계산된 벽면에 대한 열유속 결과를 Figure 5에 나타내었다. Figures 5(a)와 5(b)는 수평 구획실 내 천장 벽면에서 측정된 열유속을, Figures 5(c)와 5(d)는 수직 구획실 내 우측 벽면에서 측정된 열유속 결과를 나타낸다. 먼저 수평 구획실 화재의 경우 화원 근처에서 가장 큰 열유속 값을 보였으며, 측정 위치가 화원에서 멀어짐에 따라 열유속이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 복사열유속의 경우 화원 근처에서 가장 큰 값이 측정, 화원이 멀어짐에 따라 감소하였다. 대류열유속의 경우 화원 근처에서 가장 큰 값을 보이지만, 비교적 일정한 열을 천장 벽면 전체에 전달하였다. 수평 구획실 내 개구부 개폐 여부는 천장 벽면의 열유속 결과에 큰 차이를 보이지 않는다. 반면, 수직 구획실 벽면 열유속의 경우, 개구부 개폐 여부에 따른 벽면 열유속의 차이가 발생하였다. 개구부 폐쇄 조건인 Case V-1의 경우, 화원 근처인 하부에서 큰 열유속이 측정되었으나, 최상부 벽면을 제외한 벽면 전체에 열을 전달하였다. 복사열유속의 경우 높이가 증가함에 따라 감소하였지만, 대류열전달의 경우 높이에 따라 균일한 열유속 결과를 보였다. 개구부 개방 조건인 Case V-2의 경우 화원 근처를 제외한 벽면에서 비교적 낮은 열유속 결과를 보였다. 복사열유속의 경우 화원 근처를 제외하면 벽면으로 열을 거의 전달하지 않았으며, 대류열전달의 경우에도 높이가 증가함에 따라 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한, 수직 구획실 내 개구부 개방시 벽면으로 전달되는 열유속이 감소하는 것으로 보인다.
Wall heat flux contours of horizontal and vertical compartment.
Figure 6은 각 해석 조건별 측정 위치에 따른 벽면 열유속을 나타내었다. Figures 6(a)와 6(b)를 보면, 수평 구획실 내 벽면 열유속은 개구부 개폐 여부와 관계없이 유사한 결과가 나타났다. 이는 수평 구획실 화재시 내부 공간의 성층화로 인한 외기 유입으로 개구부 개폐 여부가 벽면 열유속에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 판단된다. 전체 열유속 중 복사와 대류에 의한 열유속을 비교해볼 때, 화원 근처를 제외한 벽면에서 복사와 대류열유속은 거의 동일한 값을 보인다. 대류열유속의 경우 거리가 증가함에 따라 일정하게 유지되며 출구 부근에서는 약간 상승하는 열유속 결과를 보여준다. 반면 Figures 6(c)와 6(d)에서 나타낸 수직 구획실의 경우 개구부 개폐 여부에 따라 다른 벽면 열유속 결과가 나타난다. 개구부 폐쇄 조건인 Case V-1의 경우 화원로부터 일정하게 떨어진 곳에서 가장 높은 열유속 값이 측정되었으며, 대류열전달에 대한 값은 측정 높이에 따라 거의 동일함을 확인하였다. 개구부 개방 조건인 Case V-2의 경우 화원 근처에서 가장 큰 열유속 값이 측정되지만, 비교적 낮은 열유속 값이 측정되었다. 측정 위치에 따른 열유속은 수평 구획실의 결과와 유사한 경향성을 보였으나, 측정 높이가 증가함에 따라 복사열유속에 비해 더 큰 대류열유속의 값이 측정되었다. 수직 구획실 내 개구부 개방시 벽면에서 측정된 열유속은 개구부 폐쇄시 측정된 열유속에 비해 크게 감소하였으며, 5 m의 높이에서 측정된 열유속은 개구부 개폐 여부에 따라 3배 이상의 차이가 발생하였다. 따라서 수직 구획실 화재시 개구부 개폐 여부가 벽면으로의 열유속에 미치는 영향이 큰 것으로 판단된다. 모든 수평 및 수직 구획실 Case에서의 복사열유속은 화원 근처에서 가장 큰 값을 보이지만, 대류열유속의 경우, 서로 다른 결과를 보이는 것을 확인하였다. 대류열유속이 구획실의 공간적 특성 및 개구부 조건에 따라 다른 결과와 경향성을 보이기에 대류열전달에 대한 추가적인 분석을 수행하였다.
Wall heat flux results of horizontal and vertical space.
3.3 수평 및 수직 구획실 벽면의 대류열전달
대류열유속은 뉴턴의 냉각법칙인 식(10)에 따라 유체와 벽면의 온도차와 대류열전달계수의 곱으로 계산된다. FDS에서 대류열전달계수는 자연대류와 강제대류의 경험적 상관식의 계산을 통해 선정하고 있으며, 이는 식(11)~식(13)을 통해 계산한다.
여기서, C는 자연대류의 경험적 상수(수평면의 경우 1.52, 수직면의 경우 1.31), k는 기체의 열전도도, L은 벽면 형상에 따른 특성 길이(평면의 경우 1 m), μ는 기체의 절대점성계수C1, C2, n, m는 각각Nu 수에 대한 강제대류 상수, Re는 레이놀즈 수를 의미한다.
위 수식에 따르면, FDS에서 대류열전달계수는 벽면 근처 기체의 온도, 속도, 밀도, 벽면 형상 등에 따라 결정되는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 서로 다른 공간적 특성에 따라 변화하는 유체의 온도 및 속도가 대류열전달계수에 미치는 영향을 분석하기 위해 측정 위치에 따른 유체의 온도, 속도, 대류열전달계수의 결과를 비교 분석하였다.
Figure 7은 수평 구획실에서의 온도, 속도, 대류열전달계수 결과를 나타내었다. Figure 7(a)에서 수평 구획실의 온도 결과는 화원 근처에서 가장 높은 온도를 보이며, 화원에서 멀어짐에 따라 점차 감소함을 볼 수 있다. Figure 7(b)에서 수평 구획실의 속도 결과의 경우 화원 근처에서는 낮은 속도, 출구 부근에서는 높은 속도가 측정된다. 화원 근처에서는 강한 상승기류로 인해 수평 방향으로 낮은 속도는 수평 방향 속도가, 출구 부근에서는 외기와의 온도차로 인해 고온의 기류가 빠르게 유동하는 것으로 판단된다. 해당 결과를 Figure 7(c)에 제시된 수평 구획실의 대류열전달계수 결과와 비교하였다. 수평 구획실의 대류열전달계수 결과는 속도 분포와 유사한 경향성을 보이며, 화원 근처의 낮은 속도와 출구 근처의 높은 속도에 따라 비례하여 측정되었다. 따라서 수평 구획실의 대류열전달계수 결과는 속도가 주요 인자로 작용한 것으로 보인다.
Horizontal space results related to the convective heat transfer.
Figure 8은 수직 구획실에서의 온도, 속도, 대류열전달계수 결과를 나타내었다. Figure 8(a)에서 수직 구획실의 온도는 개구부 폐쇄 조건인 Case V-1은 개구부 개방 조건인 Case V-2보다 더 높은 온도를 보이며 화원에서 멀어짐에 따라 점차 감소하였다. 반면 Case V-2의 경우 화원 부근에서 가장 높은 온도를 보이나, 이후 높이가 증가함에 따라 일정한 온도 결과가 측정되었다. Figure 8(b)에서는 온도 결과와 개구부 개방 조건인 Case V-2일 때 더 높은 속도가 측정되며, 개구부 폐쇄 조건인 Case V-1의 경우 낮은 속도가 측정된다. 이는 개구부 폐쇄시 단일 개구부로 인해 유입⋅유출되는 기류가 섞여 낮은 속도가, 개구부 개방시 하부 개구부를 통한 외기의 유입으로 인해 빠른 상승 속도가 측정되는 것으로 판단된다. 해당 결과를 Figure 8(c)에 제시된 수직 구획실의 대류열전달계수 결과와 비교하였다. 두 수직 구획실의 대류열전달계수는 속도 결과와 유사한 경향성을 보이며, 개구부가 개방된 조건인 Case V-2의 경우 빠른 속도로 인해 높은 대류열전달계수 값이 측정되었다. 반면, 개구부가 폐쇄된 조건인 Case V-1의 경우 상승기류의 속도가 낮아 대류열전달계수가 전반적으로 낮게 측정되며, 출구 부근의 대류열전달계수는 온도 결과와 유사한 경향성을 보였다.
Vertical space results related to the convective heat transfer.
또한, 식(11)의 계산방법에 따르면 수평 및 수직 구획실의 벽면은 강제대류의 영향이 더 큰 것으로 보이며 수직 구획실의 일부 벽면은 자연대류에 의한 계산이 수행된 것으로 보인다. 본 연구에서는 공간적 특성 및 개구부 개폐 여부에 따라 변화하는 대류열유속의 경향성을 확인하였기에, 추가 시뮬레이션 수행을 통한 대류열전달 현상의 정량적인 분석이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 화재 시뮬레이션을 이용하여 공간적 특징 및 환기 조건에 따른 벽면으로의 열전달 변화를 분석하고자 하였다. 수평 및 수직으로 길게 형성된 단순화된 구획실을 구현하여 환기 조건에 따른 화재 현상을 분석하였다. 공간적 특성 및 환기 조건에 따라 벽면으로 전달되는 복사 및 대류열유속의 차이를 확인하였다. 대류열전달 결과를 벽면 근처에서 측정된 기류의 온도 및 속도 결과와 비교하여 그 영향을 분석하였다.
수평으로 긴 구획실의 화재시 벽면으로 열유속은 개구부 폐쇄 및 개방 조건에 관계없이 유사한 값이 측정되었다. 또한, 전체 열유속 중 복사열유속과 대류열유속은 거의 동일한 값이 측정되었기에 두 열전달 형태 모두 주요하게 고려되어야 한다. 수직으로 긴 구획실의 화재의 경우 개구부 폐쇄시 더 큰 열유속이 측정되었으며, 개구부 개방시에는 비교적 낮은 열유속 결과가 측정되었다. 개구부 폐쇄시 전체 열유속 중 복사열유속이 더 큰 비중을 차지하였고, 개구부 개방시 대류열유속이 더 큰 비중을 차지하였다. 이는 개구부 개폐 여부에 따른 벽면으로의 열전달 형태가 변화하는 것을 의미한다. 개구부 개폐 여부에 따른 내부 온도 및 속도와 대류열전달계수의 비교 분석 결과, 수평 구획실 화재의 경우 속도 결과와 비례하는 대류열전달계수 결과에 따라 강제대류의 영향이 더 큰 것으로 판단된다. 수직 구획실 화재의 경우 대부분의 벽면에서 속도 결과와 비례하는 대류열전달계수 결과가 나타나지만, 개구부가 폐쇄된 수직 구획실의 출구 부근은 온도 결과와 비례하여 자연대류에 의한 대류열전달계수의 계산이 수행되었다고 판단된다. 이를 통해 구획실의 공간적 특성 및 개구부 개폐 여부에 따라 변화하는 벽면의 대류열전달 특성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 단순화된 구획실 내 개구부 개폐 여부에 따른 벽면으로의 열전달계수 분석만을 수행하였기에, 다양한 개구부 조건 및 화원 크기에 따른 추가 시뮬레이션의 수행을 통해 벽면의 열전달 현상에 대한 정량적인 분석이 필요하다.
후 기
이 논문은 국립부경대학교 자율창의학술연구비(2025년)에 의하여 연구되었음.