실규모 구획화재의 연소가스에 대한 혼합분율 분석

고권현,황철홍 한국화재소방학회 2010 한국화재소방학회논문지 Vol.24 No.5

In this study, a mixture fraction analysis was performed to investigate the characteristics of chemical species production in compartment fires burning hydrocarbon fuels such as methane, heptane, and toluene. A series of fire experiments was conducted in the ISO 9705 standard room, and gas species concentration and soot fraction were measured at two locations in the upper layer of the compartment. The mass fractions of measured chemical species, such as unburned hydrocarbons (UHC), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), and soot were presented as a function of mixture fraction and compared with state relationships based on the idealized reaction of hydrocarbon fuels. The mixture fraction analysis made it possible to rearrange hundreds of species measurements, which were done under various fire conditions and at two locations of the upper layer, in term of the unified parameter, i.e. the mixture fraction. The results also showed that inclusion of soot in the mixture fraction calculation could improve the performance of analysis, especially for the sooty fuels such as heptane and toluene. 본 연구에서는 구획화재로부터 발생되는 화학종의 특성을 파악하기 위해서 혼합분율분석을 수행하였다. 메탄, 헵탄 그리고 톨루엔과 같은 탄화수소 연료들을 사용한 화재 실험이 ISO 9705 표준 화재실에서 수행되었으며 상층부의 두 지점에서 가스종 농도와 그을음(soot) 분율 등을 측정하였다. 미연탄화수소(UHC),일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 그리고 그을음 등의 측정된 화학종에 대한 질량분율을 혼합분율의 함수로 나타내었고, 탄화수소 연료의 이상적인 반응식에 기초한 상태 관계식과 비교 분석하였다. 혼합분율 분석은 다양한 화재 조건 및 측정 위치에서 얻은 수많은 측정데이터를 하나의 일관된 파라미터,즉 혼합분율의 항으로 분류할 수 있게 하였다. 해석 결과를 통해 혼합분율 계산에 그을음을 고려하는 것이, 특히 헵탄이나 톨루엔과 같이 그을음 발생이 큰 연료의 경우 분석의 정확성을 향상시킴을 확인하였다.

구획 화재의 상사 법칙 유효성에 관한 수치해석 연구

고권현 한국화재소방학회 2014 한국화재소방학회논문지 Vol.28 No.4

In this study, to assess the validity of scaling law which was based on the ventilation factor and utilized in fields ofcompartment fires, numerical simulations were conducted on full- and 2/5 reduced-scale compartment fires using FDSand simulation results were compared with the previously published experimental data. The numerical modeling used inthis study was verified by comparing the predicted temperature at several points of the upper layer with the experimentdata. Temperature and concentration distribution inside of compartments and velocity profile at door of compartment areanalyzed to assess the validity of scaling law. Comparison between the predicted results on the full- and reduced-scalecompartments shows good agreements on the inner compartment flow patterns, outflowing flame patterns from the compartments,and vertical temperature distributions. 본 연구에서는 구획화재의 연구에 적용되는 환기 변수에 근거한 상사 법칙의 유효성을 평가하기 위해 실규모 및 2/5축소 구획에 대한 화재를 FDS를 이용하여 모사하고 기존의 실험 및 해석 결과간의 상호 비교 분석을 수행하였다. 상층부 주요 위치에서의 온도에 대한 실험 결과를 근거로 수치해석 모델의 유효성을 확보하였다. 구획 내부의 온도 및 농도분포와 구획 출구에서의 속도 분포 등에 대한 다양한 특성에 대한 분석을 통해 축소 법칙의 유효성을 평가하였다. 실규모 및 축소 구획에 대한 화재 해석 결과를 비교할 때, 구획 내부 유동 형태 및 화염의 분출 거동, 구획 내부 수직 온도 분포 등의 특성에 대해서 유사한 결과를 보여주었다.

환기부족 구획화재에 대한 FDS 해석 및 검증

고권현,김성찬,A. Hamins,유홍선 한국화재소방학회 2009 한국화재소방학회논문지 Vol.23 No.5

In this study, fire simulations on the under-ventilated compartment fires have been conducted using the Fire Dynamics Simulator (FDS Ver. 5.2) and its prediction performance on the thermal and combustion chemical characteristics has been discussed. The temperature and chemical species concentrations in the upper layer of methane, heptane, and toluene fires located in a 2/5 scale compartment based on the ISO-9705 standard room are predicted and compared with the previously published experimental data. The results showed that the FDS simulations reproduced well the temperature of the ceiling and the mixture fraction in the upper layer under the well-ventilation conditions. For the under-ventilated fires, which were taken place due to the insufficient oxygen entrainment, the prediction by the FDS significantly under-estimated the production of carbon monoxide and soot compared to the experimental data. 본 연구에서는 환기부족 조건의 구획화재에 대하여 FDS(Ver. 5.2)를 이용하여 수치해석을 수행하였고 열적 특성 및 연소 가스 생성 특성에 대한 예측성능을 평가하였다. ISO-9705 표준화재실의 2/5 크기 모 형에 대한 메탄 및 헵탄, 톨루엔 화재를 모사하였으며 고온 상층부의 온도, 연소가스 농도 등에 대하여 기존의 실험 결과와 비교하였다. 실험결과와의 비교를 통해 FDS가 천정의 온도와 과환기 조건의 혼합분 율의 예측에 있어서 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 그러나 화재 크기에 비해 산소의 유입량이 충분치 않은 환기부족 조건에서는 일산화탄소 및 그을름의 발생량을 실험값에 비해 크게 하향 예측하였다.

미세물분무에 의한 열복사 감쇠 효과에 대한 수치해석 연구

고권현 한국화재소방학회 2020 한국화재소방학회논문지 Vol.34 No.4

A numerical study was conducted to investigate the effects of the spray characteristics of water mist on the attenuationof thermal radiation. The attenuation process of the thermal radiation, generated from a hot surface panel, passing throughthe water mist was calculated via Fire Dynamics Simulator (FDS), and the effects of the flow rate, droplet mean diameter,and spray injecting angle of the water mist were analyzed. The results indicated that the increase in flowrate and decreasein droplet size led to an increase in the attenuation of thermal radiation. As the thermal radiation passed through the spraydroplets, the effect of the spatial distribution of spray droplets was verified by calculating the thermal radiation attenuationat different spray injecting angles. The results indicated that the radiation attenuation increases as the spray angle increases. This implies that a wider distribution of spray droplets, irrespective of the droplet size and flowrate, increases theattenuation effect on thermal radiation. 본 연구에서는 미세물분무의 특성이 열복사 감쇠에 미치는 영향을 살펴보기 위한 수치해석 연구를 수행하였다. 고온의 복사 패널로부터 전파되는 열복사가 미세물분무를 통과하여 약화되는 과정을 FDS를 이용하여 해석하였고,미세물분무의 분사유량, 액적평균입경과 분무각에 따른 영향을 분석하였다. 해석 결과로부터 분사유량의 증가와 액적크기의 감소가 열복사 감쇠 효과를 증가시키는 것을 알 수 있었다. 복사열이 통과하는 분무 공간 분포의 영향을살펴보기 위해 분사각을 변화시켜 열복사 특성을 분석하였으며 분사각이 클수록 복사 감쇠 효과가 커지는 것을 확인하였다. 이것은 유사한 액적크기분포와 유량조건에서도 액적들이 공간적으로 더 넓게 퍼져 있는 경우 복사의 감쇠효과가 더 커질 수 있음을 보여준다.

환기부족 화재에서 일산화탄소 발생에 대한 FDS의 예측성능

고권현 한국화재소방학회 2011 한국화재소방학회논문지 Vol.25 No.5

본 연구에서는 환기부족 구획화재에서의 일산화탄소 발생에 대한 FDS의 예측성능을 평가하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다. ISO-9705 표준 화재실의 2/5 크기의 모형 내부에 위치한 메탄과 헵탄 화염의거동을 FDS Ver. 5.5를 이용하여 해석하였다. 해석 결과를 기존의 실험 결과와 비교함으로써 고온 상층부에서 연소가스 농도의 예측에 대한 FDS의 성능을 평가하고 CO 생성율이 국부 위치에서의 CO 농도예측에 미치는 영향을 분석하였다. 해석 결과로부터 이단반응 혼합분율 모델이 적용된 FDS Ver. 5.5가CO 농도의 예측에 있어 이전 버전의 FDS에 비해 효과적임을 알 수 있었다. 또한 환기부족 화재조건에서CO 생성율을 조절함으로써 실험값에 보다 근접한 CO 농도를 얻을 수 있었다. In the present study, a numerical simulation was conducted to estimate the prediction performance of FDS on the carbon monoxide production in the under-ventilated compartment fires. Methane and heptane fires located in the a 2/5 scale compartment based on the ISO-9705 standard room was simulated using FDS Ver. 5.5. Through the comparison between the computed results and the earlier published experimental data, the performance of FDS was estimated on the predictions of the combustion gases concentration in the hot upper layer of the compartment and the effects of CO yield rate on the estimation of CO production at local points were analyzed. From the results, it was known that FDS Ver. 5.5, in which the two-step reaction mixture fraction model implemented, was more effective on the prediction of CO concentration compared to the previous FDS version. In addition, controlling CO yield rate made the predicted CO concentration get closer to the experimental data for the fires of the under-ventilated condition.

미분무 수막에 의한 열복사 감쇠 및 유동 특성에 대한 수치해석

고권현 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회논문지 Vol.36 No.4

미분무 수막에 의한 화재 복사열의 감쇠 효과와 유동 특성을 분석하기 위한 수치해석 연구가 수행되었다. 최대발열량이 1.8 MW인 디젤 연료 화원이 있는 화재실을 차폐하기 위해서 1.0∼3.0 MPa의 압력으로 분사되는 두 개의미분무 수막 노즐을 설치하였다. 분사 유량과 액적 평균 직경은 각각 9.1∼15.8 lpm과 87∼58 μm의 범위를 갖는다. 수막을 통과한 복사열유속은 주어진 압력 범위에 따라 50∼76% 감쇠하는 것으로 예측되었으며 실험 결과의 경향을적절히 반영하였다. 미분무 수막의 작동 여부에 따른 유동 특성을 비교할 때, 화재 초기에는 수막에 의한 연기 차폐의 효과가 일부 나타났지만, 화재 최성기에는 연기 유동의 속도가 증가함에 따라 차폐 효과가 감소하였다.

분무간 충돌시스템에 대한 수치해석적 연구 ( A Numerical Study on the Spray-to-Spray Impingement System )

고권현,유홍선,이성혁 대한기계학회 2001 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.1 No.5

급기가압 제연설비의 내부 유동특성에 대한 수치해석

고권현 한국화재소방학회 2017 한국화재소방학회논문지 Vol.31 No.4

본 연구에서는 급기가압에 따른 건축물 내부의 공기유동에 대한 수치해석을 수행하고 거실, 부속실 및 계단실 간의 차압분포 및 유동 특성을 분석하였다. 유동 해석은 유효누설면적을 측정하기 위해 제작된 누기율 시험설비에 대하여 수행하였으며, 급기가압에 따른 각 실의 압력 및 유속분포 등을 분석하였다. 본 해석에서 공기의 누설은 유효누설면적을 갖는 얇은 틈새를 방화문과 창문에 위치시키는 방법으로 모사하였다. 이러한 방법을 이용한 해석은 계단실과 부속실 간의 차압에 대한 기존 실험의 결과를 적절히 예측하였다. 해석 결과를 통해 국부적인 누설이 급기가압제연 설비의 전체적인 유동 패턴 및 압력 분포에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 거실-부속실 문 단면에서의평균속도가 방연풍속에 대한 국가화재안전기준을 만족하였으나 문의 상부와 같은 국부적인 위치에서 부속실로의 유출이 발생할 수 있음을 확인하였다. This study investigated the pressure difference distribution and the flow characteristics among room, ancillary room, andstair case by carrying out the numerical simulations on the air flow inside the pressurized air supply smoke control system. Numerical simulations were conducted to analyze pressure and velocity distribution of compartments by pressurized airsupply for the air-leakage test facility which was built to measure the effective leakage area. In this study, the leakage ofair was considered by locating the narrow slit onto fire door and window of room. Simulated results using this methodprecisely followed the previous experimental results for the pressure differences between the stair case and ancillary room. Predicted results showed that the local leakage of air rarely affected the overall flow pattern and pressure distribution. Although the average velocity over the door between room and ancillary room satisfied the regulation for fire safety, it wascertified the unsafe outflow to ancillary room could be occurred in the local position such as the upper part of the door.

환기부족 구획화재에서 연소효율 개념에 대한 고찰

고권현,박충화,황철홍,박설현 한국화재소방학회 2010 한국화재소방학회논문지 Vol.24 No.6

A study on combustion efficiency concept was conducted for the under-ventilated fires in a fullscale ISO 9705 room. In particular, a comparison between global combustion efficiency (CE) measured outside the compartment and local CE measured at upper layer inside the compartment was focused. Heptane, toluene and iso-propanol were used to consider the wide ranges of heat of combustion and soot yield. As a result, the global CE was decreased linearly with increasing in global equivalence ratio (GER). On the other hand, the decreasing rate of local CE was increased gradually with increasing in GER. From these results, it was known that the information on local CE was very useful parameter to understand the fire phenomena inside the compartment. In addition, it was discussed that the local CE might be used as an important parameter in the process of scaling for the compartment fires. 실규모 ISO 9705 표준 화재실에서 환기부족 화재를 대상으로 연소효율 개념에 대한 검토가 수행되었다. 특히 구획 외부에서 측정되는 총괄연소효율과 구획 내부의 고온 상층부에서 측정된 국부연소효율의 개념을 비교·검토하였다. 연료로는 다양한 범위의 연소열과 그을음 생성량을 갖도록 헵탄, 톨루엔 및 이소프로판올이 사용되었다. 주요 결과로서, 총괄연소효율은 총괄당량비 증가에 따라 비교적 선형적으로 감소한다. 반면에 국부연소효율은 총괄당량비 증가에 따라 2차 곡선의 형태로 크게 감소됨을 확인하였다. 위 결과를 통해 국부연소효율에 대한 정보는 구획 내부의 화재현상을 이해하는데 매우 유용한 변수임을 알 수있었다. 또한 국부연소효율은 구획화재에 대한 상사과정에서 중요한 변수로 사용될 수 있음을 논의하였다.

급기가압 조건에서 복합 구획 공간 화재의 연기 거동에 대한 수치해석 연구

고권현 한국화재소방학회 2018 한국화재소방학회논문지 Vol.32 No.6

본 연구에서는 급기가압 조건에서 거실, 부속실 및 계단실로 구성된 복합 구획 공간에 대해 화재해석을 수행하고가압 및 환기 조건에 따른 화재 연기의 유동 특성을 분석하였다. 화재 해석은 유효누설면적을 측정하기 위해 제작된누기율 시험설비에 대하여 수행하였으며, 화재의 거시적 특성과 각 구획에 대한 유동 및 압력 특성의 분석을 통해급기가압 조건에서의 화염 및 연기 거동에 대한 이해를 증진시키고자 하였다. 화재 해석 결과는 화재 발열량의 크기가 환기 시스템에 의해 공급되는 공기량에 의해서 민감하게 영향을 받게 됨을 보여주었다. 거실과 부속실에서의 속도분포 분석 결과를 통해 급기가압의 조건에서도 화재 연기가 문의 상층부를 통해 부속실로 유출될 수 있음을 확인하였다. 이를 통하여 급기가압 제연시스템의 설계와 적용에 있어서 화재 크기와 공간적 특성과 같은 요인을 고려하는 것이 매우 중요하다는 것을 확인할 수 있었다. This study examined the flow characteristics of fire smoke under pressurized air ventilation conditions by carrying outfire simulations on multi-compartment enclosure, including room, ancillary room and stair case. Fire simulations wereconducted for the air-leakage test facility, which was constructed to measure the effective leakage area and aimed toimprove the understandings of fire and smoke movement by analyzing the overall behaviors of fire smoke flow and pressuredistributions of each compartment. The simulation results showed that the heat release rate of the fires was controlledsensitively by the amount of air supplied by the ventilation system. An analysis of the velocity distributions between theroom and ancillary room showed that fire smoke could be leaked to the ancillary room through the upper layer of the door,even under pressurized air supply conditions. From these results, it was confirmed that the fire size and spatialcharacteristics should be considered for the design and application of a smoke control system by a pressurized air supply.