FDS를 활용한 전기 케이블 트레이 화재에 대한 메쉬 민감도 해석 = Mesh Sensitivity Analysis of Electrical Cable Tray Fires Using FDS

국문 초록 (Abstract)

전기 케이블 트레이는 전력 및 제어 케이블을 직접 설치하는 설비로, 화재 시 케이 블 피복의 열분해와 연소가 진행되며 트레이 방향을 따라 화염과 고온 연기가 확산될 수 있다. 이에 따라 수치해석 기반 화재 예측이 활용되지만, FDS(Fire Dynamics Simulator)와 같은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 시뮬레이션은 격자 해 상도에 따라 결과가 달라질 수 있어 메쉬 민감도 검토가 필요하다. 본 연구에서는 FDS로 전기 케이블 트레이 화재를 재현하고, 격자 크기만 단계적으 로 변화시켜 해석 결과의 민감도를 정량 평가하였다. 케이블 트레이의 형상과 배치 조 건을 반영해 모델을 구성하였으며, 열방출률 이력과 주요 경계조건은 동일하게 유지하 였다. 최대 HRR(Heat Release Rate)와 도달 시각, 온도 변화, 열유속 및 연기 확산 거 동을 평가 지표로 설정하고, 수렴 경향과 계산 비용 변화를 함께 비교하였다. 그 결과 격자 세분화에 따라 화염 구조와 열, 연기 분포의 재현성이 개선되었고, 일 정 해상도 이상에서는 주요 지표가 수렴하는 경향을 보였다. 반면 조대한 격자에서는 최대값 및 시간 이력 예측 성능이 저하되었다. 이를 통해 케이블 트레이 화재 해석에 서 정확도와 계산 효율을 고려한 격자 선정의 기준을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrical cable trays are facilities that integrate and install power and control cables. In the event of a fire, the combustion and pyrolysis of cable insulation proceed continuously, and flames and high-temperature smoke spread along the tray direction, potentially leading to equipment shutdown and extensive secondary damage. Due to these characteristics, numerical analysis-based fire prediction is utilized. However, the results of CFD-based fire simulations, such as FDS, can vary depending on the grid resolution, making mesh sensitivity analysis essential to ensure the reliability of the analysis.
This study numerically reproduced an electrical cable tray fire using FDS and quantitatively evaluated the sensitivity to mesh resolution changes by comparing analysis results with different grid sizes. The fire scenario was configured to reflect the cable tray geometry and placement conditions. Calculations were performed by stepwise varying only the grid size while maintaining identical heat release rate histories and key boundary conditions. Representative physical quantities selected as evaluation metrics included maximum heat release rate and time to reach peak, temperature rise characteristics at specific locations, heat flux, and smoke diffusion behavior. Convergence trends and computational cost changes associated with grid refinement were also examined.
The analysis results showed that as the grid was refined, the flame structure and heat/smoke distribution were reproduced more stably. Beyond a certain level of resolution, the variation in key indicators decreased, indicating a convergence trend in the results. Conversely, excessively coarse grids exhibited reduced reproducibility in predicting maximum values and time histories. This study systematically summarizes the impact of mesh resolution selection on results in cable tray fire analysis. By presenting criteria for grid selection that balance accuracy and computational efficiency, it aims to contribute to the future use of numerical analysis in cable tray fire safety assessment and design stages.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• 표 목차 iii
• 그림 목차 ⅳ
• 국문초록 ⅴ
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 2.1 화재 시뮬레이션의 도입 배경과 활용 필요성 3
• 2.2 화재 시뮬레이션의 국내외 적용 사례 5
• 2.3 FDS 지배방정식 7
• 2.4 화재 안전평가 기준 9
• 제3장 FDS 기반 화재모델링 방법론 10
• 3.1 FDS 화재모델링 특성 10
• 3.2 FDS 화재모델링 해석 수행 절차 12
• 3.3 FDS 화재모델링 구분 및 Namelist 기능 15
• 3.4 입력 파일의 구조 17
• 3.5 해석의 이름 및 결과 파일명 지정 18
• 3.6 계산 시간 설정 19
• 3.7 해석 영역 및 격자 조건 설정 20
• 3.8 해석 공간 구성과 기하 요소 모델링 22
• 3.9 경계조건 설정과 재료물성 23
• 3.10 해석결과 설정 28
• 제4장 전기 케이블 트레이 화재의 FDS 분석 29
• 4.1 화재 시뮬레이션 모델링 설정 및 격자 민감도 29
• 4.2 전기 케이블 트레이 화재 해석 모델 31
• 4.3 FDS 화재모델링 결과 분석 33
• 4.3.1 열방출률 예측 특성과 격자 크기 민감도 분석 결과 33
• 4.3.2 최대 HRR 예측과 계산 효율의 격자 해상도 영향 35
• 4.3.3 트레이 단수별 온도 분포 특성 36
• 4.3.4 화염 및 연기 거동의 가시화 비교 37
• 제5장 결론 39
• 참고문헌 40
• ABSTRACT 42