Numerical Simulation of Influences of Droplet Velocity and Heater Conditions on Thermal Radiation Reduction

동혁 고; 준석 강; 치영 이

doi:10.7731/KIFSE.a12d4398

요 약

본 연구에서는 미분무의 열복사 감쇠에 액적 분사 속도 및 열원 조건이 미치는 영향을 분석하기 위해 전산해석을 수행하였다. 액적 분사 속도는 17 m/s와 34 m/s, 열원 조건으로는 열원 온도 700 °C와 1400 °C, 열원 크기 300 mm × 250 mm와 400 mm × 350 mm, 열원과 노즐 간의 거리 500 mm와 1000 mm를 검토하였다. 동일한 물 공급 유량 조건에서, 액적 분사 속도가 감소함에 따라 열복사 감쇠량과 감쇠율이 증가하였다. 액적 분사 속도가 17 m/s와 34 m/s일 때 최대 열복사 감쇠량은 각각 1.3 kW/m²과 0.8 kW/m², 최대 열복사 감쇠율은 각각 29%와 21%로 나타났다. 열원 온도와 크기가 증가하고 열원과 노즐 간 거리가 감소함에 따라 열복사 감쇠량이 증가하였다. 최대 열복사 감쇠량의 경우, 열원 온도가 700 °C와 1400 °C인 조건에서 각각 1.3 kW/m²와 10.9 kW/m², 열원 크기가 300 mm × 250 mm와 400 mm × 350 mm인 조건에서 각각 1.3 kW/m²와 1.9 kW/m², 열원과 노즐 간 거리가 500 mm와 1000 mm인 조건에서 각각 1.3 kW/m²과 0.4 kW/m²로 나타났다. 그러나 열원 온도 및 크기, 열원과 노즐 간 거리가 열복사 감쇠율에 미치는 영향은 미미하였다.

ABSTRACT

A numerical simulation was performed to examine the influences of the droplet velocity and heater conditions on the thermal radiation reduction of the water mist. Droplet velocities of 17 and 34 m/s, heater temperatures of 700 and 1400 °C, heater sizes of 300 mm × 250 mm and 400 mm × 350 mm, and heater-nozzle distances of 500 and 1000 mm were examined. As the droplet velocity decreased at the same water flow rate, the reduced heat flux and thermal radiation reduction rate increased. The maximum values of reduced heat flux were 1.3 and 0.8 kW/m² for droplet velocities of 17 and 34 m/s, respectively, with corresponding maximum thermal radiation reduction rates of 29% and 21%. As the heater temperature and size increased and the heater-nozzle distance decreased, the reduced heat flux increased. The maximum values of reduced heat flux were 1.3 and 10.9 kW/m² at the heater temperatures of 700 and 1400 °C, respectively; 1.3 and 1.9 kW/m² at the heater sizes of 300 mm × 250 mm and 400 mm × 350 mm, respectively; and 1.3 and 0.4 kW/m² at the heater-nozzle distances of 500 and 1000 mm. However, the influences of the heater temperature and size and the heater-nozzle distance on the thermal radiation reduction rate were minimal.

KeyWords: Thermal radiation reduction, Water mist, Droplet velocity, Heater condition, Numerical simulation

1. 서 론

미분무는 최소설계압력에서 헤드로부터 방출되는 물액적의 누적체적분포 99%에 해당하는 크기가 400 µm 이하인 것(1)을 의미한다. 미분무에 의한 화재 소화는 액적에 의한 화염과 연료면의 냉각, 액적의 기화 및 부피 팽창으로 인한 질식, 액적의 열복사 흡수 및 산란으로 인한 열복사 감쇠 등의 효과에 의해 이루어진다(2,3). 한편, 미분무의 열복사 감쇠 효과를 활용하여, 문화재, 위험물 시설 등에서의 화재 확산 방지를 위해 미분무 설비를 적용하는 것(4,5)을 고려할 수 있다. 미분무의 열복사 감쇠 성능에는 노즐(nozzle) 종류, 물 공급 유량, 액적 크기, 분무폭 등이 중요한 인자로 고려되고, 이러한 인자들이 미분무의 열복사 감쇠에 미치는 영향에 대한 연구(6-14)가 수행되었다.

Dembele 등(6)은 2종류의 단일유체노즐을 사용하여 노즐 종류, 물 공급 유량, 공급 압력, 액적 크기의 변화가 미분무의 열복사 감쇠에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. 그 결과, 물 공급 유량이 증가할 때 액적 크기가 작아지고 열복사 감쇠 성능이 향상되었다. 그리고 유사한 물 공급 유량일 때 오리피스 크기가 작은 노즐이 더 작은 액적을 분사하여 열복사 감쇠가 더 높은 것으로 보고하였다. Murrell 등(7)은 4종류의 노즐을 사용하여 실험을 수행하였고, 노즐 간 열복사 감쇠 성능을 비교하였다. 전체적으로 노즐로의 물 공급 압력이 증가될 경우, 액적 크기는 감소하였고, 작은 액적 생성 시 열복사 감쇠는 증가된다고 보고하였다. Gonome 등(8)은 열원의 온도가 600∼1200 K인 조건에서 열복사 감쇠에 대한 액적 크기의 영향을 검토하였고, 액적 크기가 20∼40 µm인 조건에서 최대 열복사 감쇠가 나타난다고 보고하였다. Zhu 등(9)은 수막의 열복사 감쇠에 대한 실험을 수행하였고, 이를 전산해석으로 구현하였다. 물 공급 압력이 증가함에 따라 열복사 감쇠가 증가하였고, 이는 액적 크기의 감소와 물 공급 유량 및 수막 두께의 증가에 의한 영향이라고 보고하였다. Kang과 Lee(10)는 와류분사노즐을 사용하여 미분무 분사 위치로부터의 수직 거리에 따른 미분무 특성 및 열복사 감쇠에 대해 실험적으로 검토하였다. 노즐 출구로부터 거리가 증가함에 따라 액적 크기가 증가하지만 분무폭의 증가 영향으로 인해 열복사 차단율이 증가된다고 보고하였다. Jo와 Lee(11)는 3종류의 다공-내부혼합형 2유체노즐을 사용하고 물과 공기의 공급 유량을 변경하여 미분무의 열복사 감쇠 성능을 실험적으로 검토하였다. 실험 결과, 단일유체노즐에 비해 2유체노즐이 더 적은 물 공급 유량 조건에서 더 작은 크기의 액적을 생성하여 더 높은 단위 유량 당 열복사 감쇠율을 나타낸다고 보고하였다. Jo와 Lee(12)는 2종류의 내부 혼합형 2유체노즐과 3종류의 외부 혼합형 2유체노즐을 사용하고 물과 공기의 공급 유량을 변경하여 미분무의 열복사 감쇠 실험을 수행하였다. 실험을 통해 물 공급 유량과 액적 크기가 미분무의 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 독립적으로 평가하였고, 열복사 감쇠에 대한 액적 크기의 의존성이 물 공급 유량보다 크다고 보고하였다. Ko(13)는 전산해석을 통해 미분무의 특성 변화가 열복사 감쇠에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 전산해석 결과, 물 공급 유량과 분사각의 증가와 액적 크기의 감소에 의해 열복사 감쇠 성능이 향상됨을 보고하였다. 기존 연구를 토대로 볼 때, 노즐 종류, 액적 크기, 물 공급 압력과 유량, 분무폭, 분사각 등이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향에 대한 다양한 연구가 수행되었다. 그러나 열복사 감쇠 성능에 대한 액적 분사 속도의 영향을 검토한 연구는 찾아보기 어려웠다. 일반적으로 하나의 특정한 노즐에서 미분무 생성 시, 공급 유량이 변화함에 따라 액적 속도가 변화하므로 열복사 감쇠 성능에 대한 액적 분사 속도의 독립적인 영향에 대해 실험을 통해 분석한다는 것은 매우 어렵다. 이 경우, 전산해석을 이용한 분석이 좋은 대안이 될 수 있다. 또한, 실제 화재의 경우, 다양한 온도 및 크기를 나타내고, 다양한 위치에서 발생할 수 있다. 이러한 인자는 미분무의 열복사 감쇠 성능에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고, 열원 조건(열원 온도와 크기, 열원과 노즐 간 거리 등)이 미분무의 열복사 차단 성능에 미치는 영향에 대한 연구는 미분무 특성의 영향에 대한 연구에 비해 상대적으로 미흡한 상황이다.

본 연구에서는 전산해석을 이용하여 미분무 액적 분사 속도와 열원 조건이 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 열원 조건으로 열원 온도, 크기 및 위치(열원과 노즐 간 거리)를 고려하였다. 본 연구 결과는 문화재, 위험물 시설 등에 적용되는 미분무 설비의 화재 확산 방지 성능 향상을 위한 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

2. 전산해석 방법과 조건

2.1 방법

본 연구의 전산해석 개략도를 Figure 1에 나타내었다. 본 연구에서는 전산해석을 위해 fire dynamics simulator (FDS, Ver 6.8.0)를 이용하였다. 전산해석 범위는 2,400 mm (폭) × 1,800 mm (깊이) × 2,400 mm (높이)이고, 모든 면은 개방된 조건으로 설정하였다. 격자 크기는 기존 전산해석 연구(13,14)를 토대로 50 mm로 설정하였고, 총 격자 개수는 82,944개이다. 전산해석에 적용된 열원(heater)의 형태, 크기, 노즐 설치 높이, 열원과 노즐 간 거리는 기존 실험 연구(10)를 기반으로 하였다. 열원 크기는 100 mm (폭) × 300 mm (깊이) × 250 mm (높이)로 설정하였고, 열원의 +yz면을 300 mm (깊이) × 250 mm (높이) 크기의 열원(가열면)으로 설정하였다. 열원 면적을 증가시킨 조건에서는 열원 크기를 100 mm (폭) × 400 mm (깊이) × 350 mm (높이)로 설정하였고, 열원의 면적은 400 mm (깊이) × 350 mm (높이)으로 설정하였다. 2종류의 열원 모두, 열원 중심이 바닥으로부터 1,200 mm 높이가 되도록 설정하였고, 노즐은 바닥으로부터 1,600 mm 높이가 되도록 설정하였다. 한편, 열원과 노즐 간 거리가 500 mm와 1,000 mm인 조건의 경우, 바닥으로부터 1,200 mm 높이에서 열원 표면 중심으로부터 50 mm 간격으로 각각 34개와 44개의 지점에서 열원으로부터의 복사열유속을 측정하도록 설정하였다. 입체각(solid angle) 수는 민감도 평가를 통해 1200으로 설정하였다.

Figure 1

Measurement of thermal radiation reduction for heater- nozzle distance of 500 mm.

미분무 특성으로 액적 크기, 분무폭, 액적 밀도(단위 부피당 액적 개수)를 측정하였고, 이에 대한 전산해석 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 미분무 특성 측정 시, 열원은 존재하지만 작동되지 않는 조건으로 설정하였다. 액적 크기와 액적 밀도를 측정하기 위한 측정 지점은 Figure 1에 나타낸 열유속 측정 지점과 동일하다. 분무폭을 측정하기 위해, Figure 2에 나타낸 바와 같이 1,100 mm (폭) × 1,000 mm (높이) 영역 내에 50 mm 간격으로 총 440개 지점에서 액적 크기를 측정하였고, 분무폭의 정량적인 값은 액적 크기가 측정되는 범위를 통해 도출하였다.

Figure 2

Measurement of water mist characteristics under non- heating condition.

본 연구에서는 미분무 특성 및 열유속이 정상상태(steady state)인 범위에서 20 s 간 측정된 데이터의 평균값을 분석에 사용하였다. 미분무의 열복사 감쇠 성능의 경우, 열유속, 열복사 감쇠량, 열복사 감쇠율의 평균값을 열원으로부터 거리에 따라 나타내었다. 이때 열복사 감쇠량은 미분무가 분사되지 않을 때의 평균 열유속(U₀)과 미분무가 분사되는 동안의 평균 열유속(U)의 차이를 의미하고, 열복사 감쇠율(γ, %)은 기존 연구(14)에서 사용된 식(1)로 계산되었다.

(1)

γ=(U0−U)/U0×100

2.2 조건

Table 1에 열복사 감쇠 성능 측정을 위한 전산해석 조건을 나타내었다. 모든 조건에서 미분무 생성을 위한 물 공급 유량, 분사각, 액적 크기는 각각 400 g/min, 80°, 77 μm로 설정하였다. 설정한 액적 크기에 대한 액적 크기 분포를 Figure 3에 나타내었고, 1 s당 방출되는 액적 개수는 5000개로 설정하였다. 이러한 조건에서 Case01은 액적 분사 속도가 17 m/s, 열원 온도가 700 °C, 열원 크기가 300 mm × 250 mm, 열원과 노즐 간 거리가 500 mm로 설정된 조건이다. Case02는 Case01에서 액적 분사 속도를 34 m/s로 변화시킨 조건이고, Case03과 Case04는 Case01에서 각각 열원 온도를 1400 °C, 열원 크기를 400 mm × 350 mm로 변화시킨 조건이다. Case05는 Case01에서 열원과 노즐 간 거리를 1000 mm로 변화시킨 조건이다.

Table 1

Numerical Simulation Conditions

Cases	Droplet Velocity (m/s)	Heater Temperature (°C)	Heater Size: Depth (mm) × Height (mm)	Heater- Nozzle Distance (mm)
Case 01	17	700	300 × 250	500
Case 02	34	700	300 × 250	500
Case 03	17	1400	300 × 250	500
Case 04	17	700	400 × 350	500
Case 05	17	700	300 × 250	1000

Figure 3

Droplet size distribution for initial droplet size.

3. 전산해석 결과

3.1 액적 분사 속도 영향

Figures 4(a), 4(b), 4(c)에 각각 동일한 물 공급 유량 조건에서 액적 분사 속도가 열유속, 열복사 감쇠량, 열복사 감쇠율에 미치는 영향을 열원으로부터 거리에 따라 나타내었다. Figure 4(a)에서, 열원으로부터의 거리가 250 mm인 지점까지는 미분무가 분사되지 않은 조건과 미분무가 분사된 조건의 열유속이 유사하게 나타났다. 그러나 300∼1700 mm 구간에서는 미분무를 분사한 조건에서 열유속이 더 낮게 측정되었다. Figure 4(b)에 나타낸 액적 분사 속도에 따른 열복사 감쇠량의 경우, 노즐 중심 부근에서 급격하게 증가하였고, 열원으로부터 멀어짐에 따라 감소하였다. 최대 열복사 감쇠량은 노즐 중심 부근에서 측정되었고, 액적 분사 속도가 17 m/s와 34 m/s일 때 각각 1.3 kW/m²과 0.8 kW/m²로 나타났다. Figure 4(c)에 나타낸 액적 분사 속도에 따른 열복사 감쇠율의 경우, 액적 분사 속도가 감소할수록 열복사 감쇠율이 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 액적 분사 속도가 변화함에 따라 미분무 분사 특성이 변화했기 때문으로 생각된다. 액적 분사 속도가 17 m/s와 34 m/s인 조건에서 최대 열복사 감쇠율은 노즐 중심 부근에서 각각 29%, 21%로 나타났다.

Figure 4

Influence of droplet velocity on thermal radiation reduction.

Figure 5에 액적 분사 속도가 17 m/s와 34 m/s인 조건에서 측정된 액적 크기, 분무폭 및 액적 밀도를 나타내었다. Figure 5(a)의 액적 크기의 경우, 액적 분사 속도가 17 m/s와 34 m/s인 조건에서, 노즐 중심에서 액적 크기가 가장 작고, 노즐 중심을 기준으로 거리가 멀어질수록 액적 크기가 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한 노즐 중심에서는 액적 분사 속도가 34 m/s인 조건과 17 m/s인 조건에서의 액적 크기가 유사한 것으로 나타났고, 노즐 중심에서 떨어진 위치에서는 액적 분사 속도가 34 m/s인 조건이 17 m/s인 조건에 비해 액적 크기가 작은 것으로 나타났다. Figure 5(b)에 나타낸 분무폭의 경우, 액적 분사 속도가 34 m/s인 조건이 17 m/s인 조건에 비해 넓은 것으로 나타났다. 한편, Figure 5(c)에 나타낸 액적 밀도의 경우, 노즐 중심 부근에서 액적 분사 속도가 17 m/s인 조건이 34 m/s인 조건에 비해 높은 것으로 나타났다. 이는 미분무의 액적 속도가 감소함에 따라 분무폭이 감소(Figure 5(b))되고, 이로 인해 작은 액적이 더 좁은 범위(노즐 중심 부근)에 분포하기 때문으로 판단된다. 반면, 노즐 중심에서 멀리 떨어진 위치에서는 액적 분사 속도가 17 m/s인 조건이 34 m/s인 조건에 비해 액적 밀도가 낮은 것으로 관찰되었다(Figure 5(c) 내 log-scale 그래프 참조).

Figure 5

Comparison of droplet size, spray width, and droplet concentration between droplet velocities of 17 and 34 m/s.

일반적으로 동일한 노즐에서 액적 분사 속도가 높다는 것은 물 공급 압력과 물 공급 유량이 크다는 것이고, 이는 열복사 감쇠량 및 감쇠율을 증가시킬 수 있다. 하지만 본 연구에서는, 물 공급 유량이 일정한 조건에서 액적 분사 속도만 변화시킨 상황이다. 본 전산해석 결과, Figure 4에서 액적 분사 속도가 17 m/s인 조건이 34 m/s인 조건에 비해 열복사 감쇠량 및 감쇠율이 높은 것으로 나타났는데, 이는 액적 분사 속도가 17 m/s인 조건이 34 m/s인 조건에 비해 노즐 중심 부근에서 액적 밀도가 높기 때문(Figure 5(c))으로 생각된다.

3.2 열원 조건 영향

Figures 6(a), 6(b), 6(c)에 각각 열원 온도가 열유속, 열복사 감쇠량, 열복사 감쇠율에 미치는 영향을 열원으로부터 거리에 따라 나타내었다. Figure 6(a)에서, 열원 온도가 1400 °C인 조건이 700 °C인 조건에 비해 열유속이 큰 것으로 나타났다. Figure 6(b)에 나타낸 열복사 감쇠량의 경우, 열원 온도가 1400 °C인 조건이 700 °C인 조건에 비해 큰 것으로 나타났다. 최대 열복사 감쇠량은 노즐 중심 부근에서 측정되었고, 700 °C인 조건에서는 1.3 kW/m², 1400 °C인 조건에서는 10.9 kW/m²로 측정되었다. Figure 6(c)에 나타낸 열복사 감쇠율의 경우, 열원 온도가 1400 °C인 조건과 700 °C인 조건에서 약 30% 정도로 유사하게 나타났다.

Figure 6

Influence of heater temperature on thermal radiation reduction.

Figures 7(a), 7(b), 7(c)에 각각 열원 크기가 열유속, 열복사 감쇠량, 열복사 감쇠율에 미치는 영향을 열원으로부터 거리에 따라 나타내었다. Figure 7(a)에서, 열원 크기가 400 mm × 350 mm인 조건이 300 mm × 250 mm인 조건에 비해 열유속이 큰 것으로 나타났다. Figure 7(b)에 나타낸 열복사 감쇠량의 경우, 열원 크기가 400 mm × 350 mm인 조건이 300 mm × 250 mm인 조건에 비해 큰 것으로 나타났다. 최대 열복사 감쇠량은 노즐 중심 부근에서 측정되었고, 300 mm × 250 mm인 조건에서는 1.3 kW/m², 400 mm × 350 mm인 조건에서는 1.9 kW/m²로 측정되었다. Figure 7(c)에 나타낸 열복사 감쇠율의 경우, 열원 크기가 400 mm × 350 mm인 조건과 300 mm × 250 mm인 조건에서 약 30% 정도로 유사하게 나타났다.

Figure 7

Influence of heater size on thermal radiation reduction.

Figures 8(a), 8(b), 8(c)에 각각 열원 위치(열원과 노즐 간 거리)가 열유속, 열복사 감쇠량, 열복사 감쇠율에 미치는 영향을 열원으로부터 거리에 따라 나타내었다. Figure 8(a)에서, 열원과 노즐 간 거리가 500 mm에서 1000 mm로 증가함에 따라 노즐 중심에서 측정되는 열유속은 감소되었다. Figure 8(b)에 나타낸 열복사 감쇠량의 경우, 열원과 노즐 간 거리가 500 mm인 조건이 1000 mm인 조건에 비해 열복사 감쇠량이 큰 것으로 나타났다. 최대 열복사 감쇠량은 노즐 중심에서 나타났고, 열원과 노즐 간 거리가 500 mm인 조건에서는 1.3 kW/m², 1000 mm인 조건에서는 0.4 kW/m²로 나타났다. Figure 8(c)에 나타낸 열복사 감쇠율의 경우, 열복사 감쇠량과는 다르게, 열원과 노즐 간 거리가 500 mm인 조건과 1000 mm인 조건에서 약 30%로 큰 차이가 나지 않았다.

Figure 8

Influence of heater-nozzle distance on thermal radiation reduction.

Figures 6∼8을 토대로 볼 때, 열복사 감쇠량은 열원 온도가 높을수록, 열원 크기가 클수록, 열원과 노즐 간 거리가 가까울수록 증가하였다. 그러나 열원 온도 및 크기, 열원과 노즐 간 거리에 따른 열복사 감쇠율의 변화는 상대적으로 미미하였다. 추후 본 연구에서 검토한 미분무 액적 분사 속도와 열원 온도, 크기 및 위치(열원과 노즐 간 거리)를 포함하여 보다 다양한 조건 및 실제 화재 상황을 고려한 실험적 연구가 수행될 필요가 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 미분무의 열복사 감쇠에 액적 분사 속도 및 열원 조건이 미치는 영향을 검토하기 위해 전산해석을 수행하였다. 열원 조건으로 열원 온도, 크기 및 위치(열원과 노즐 간 거리)가 고려되었다.

동일한 물 공급 유량 조건에서 액적 분사 속도가 감소할수록 열복사 감쇠량과 감쇠율이 증가하였다. 이는 액적 분사 속도가 17 m/s인 조건이 34 m/s인 조건에 비해 노즐 중심 부근에서 액적 밀도가 높기 때문으로 생각된다. 액적 분사 속도가 17 m/s와 34 m/s일 때 최대 열복사 감쇠량은 각각 1.3 kW/m²과 0.8 kW/m², 최대 열복사 감쇠율은 각각 29%와 21%로 나타났다.

열원 온도 및 크기, 열원과 노즐 간 거리가 감소함에 따라 열복사 감쇠량이 증가하였다. 열원 온도가 700 °C와 1400 °C인 조건에서의 최대 열복사 감쇠량은 각각 1.3 kW/m²와 10.9 kW/m², 열원 크기가 300 mm × 250 mm와 400 mm × 350 mm인 조건에서의 최대 열복사 감쇠량은 각각 1.3 kW/m²와 1.9 kW/m², 열원과 노즐 간 거리가 500 mm와 1000 mm인 조건에서의 최대 열복사 감쇠량은 1.3 kW/m²과 0.4 kW/m²로 나타났다. 반면, 열원 온도 및 크기, 열원과 노즐 간 거리가 열복사 감쇠율에 미치는 영향은 상대적으로 미미한 것으로 나타났다.