밀폐 콘 칼로리미터를 이용한 고체가연물의 CO 및 Soot yields에 관한 실험적 연구

문선여(Sun-Yeo Mun),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.추계

화재안전설계를 위한 화재위험성평가는 주로 공학적 기반의 화재 및 피난 시뮬레이션을 통해 이루어지고 있다. 화재시뮬레이션의 수행 시 요구되는 입력인자는 수치결과의 신뢰성에 절대적인 영향을 미치게 된다. 다양한 입력인자 중에 소모된 연료의 질량에 대한 생성된 CO 및 Soot의 질량비로 표현되는 Yields는 인명안전 기준과 직접적으로 관련된 물리량이다. 화재안전의 관점에서 고체 가연물의 난연성 및 연소물성(CO 및 Soot yields) 측정은 다양한 기관에 의해 제시된 규격화된 장치를 활용하여 연구되고 있다. 대표적으로 ISO 5660-1에 근거하여 환기조건이 원활한 개방형 콘칼로리미터(OCC)가 사용되고 있다. 그러나 실제 화재환경에서의 고체가연물은 화염으로부터 발생되는 연소생성물에 의해 낮은 산소농도에서 화재가 발생된다. 그 결과 개방된 공간에서 측정된 실험결과는 실제 화재환경과 상당한 차이를 가질 수 있다. 결과적으로 실제 화재상황을 모사하기 위하여 산소농도 변화에 따른 고체가연물의 연소물성 측정은 매우 중요하다. 다양한 대기조건에서의 화재 연구를 위하여, 제한된 대기조건에서 실험이 가능한 밀폐형 콘 칼로리미터(CACC)가 제안되었으며, 환기부족화재 조건에서 산소농도의 감소에 따른 고체가연물의 연소물성 측정에 관한 연구가 진행되고 있다. 기존 CACC는 챔버 내부에서 공급되는 O2와 N2가 점화 후 추가적으로 발생되는 H2O, CO2 및 CO와 함께 석영관(Quartz tube)을 통해 유입되며, 석영관 외부에서 유입되는 공기 또한 유입된다. 결론적으로 후드 내부에는 두 종류의 질량유량이 혼합되어 배기되며, 개방형 콘 칼로리미터에 비해 많은 양의 유량이 측정되는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 콘히터 상부를 개선하였으며, CACC에서 공급되는 유량 및 산소농도에 따른 CO 및 Soot yields에 관한 실험적 연구가 진행되었다. 모사된 화재환경에서의 실험 결과는 화재위험성 평가의 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

케이블의 화재확산 시뮬레이션을 위한 열분해 물성 측정

문선여(Sun-Yeo Mun),조재호(Jae-Ho Cho),이홍인(Hong-In Lee),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회논문지 Vol.36 No.6

본 연구에서는 다중 재료로 구성된 케이블의 화재확산 시뮬레이션을 위해 요구되는 열분해 물성 측정 및 검토가 수행되었다. 주요 결과로써, 케이블은 유형에 관계없이 전형적으로 2단계 열분해 반응이 확인되었다. 단일 승온 속도에 의해 산출되는 {Tₚ}와 {rₚ}를 적용하는 입력 방법 보다는 다양한 승온속도에 의해 산출되는 Kissinger 방법 및 flynn-wall-ozawa (FWO) 방법이 보다 정확한 화재확산 예측이 가능 할 것으로 예상된다. 그 결과 난연성 케이블(CLASS 1E 및 TFR-8)의 경우 Kissinger 방법의 적용은 FWO 방법의 적용보다 화재확산 속도를 과다 예측할 가능성이 있으며, PVC 케이블(VCTF)의 경우 화재확산 속도를 과소 예측할 가능성이 있다. The analysis and review of the thermal decomposition properties required for the fire spread simulation of cables composed of multiple materials were performed. Thus, a typical two-step pyrolysis reaction was identified independent of cable type. It is expected that the Kissinger and flynn wall ozawa (FWO) methods, which are calculated using various – – heating rates, more accurately predict fire spread than the input method that uses the and values calculated using a single heating rate. Consequently, in the case of flame-retardant cables (CLASS 1E and TFR-8), the Kissinger method is more likely to overestimate the fire spread rate than the FWO method. In the case of polyvinyl chloride (PVC) cables (vinyl cabtire power cable, VCTF), the fire spread rate may be underestimated.

스프레이 폴리우레탄 폼의 화재확산 시뮬레이션을 위한 열분해 물성 측정

문선여(Sun-Yeo Mun),이정훈(Jung-Hun Lee),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회논문지 Vol.36 No.6

본 연구에서는 경질 스프레이 폴리우레탄 폼(SPF)의 화재확산 시뮬레이션을 위해 요구되는 열분해 물성의 측정 및 검토가 수행되었다. 주요 결과로써, SPF의 발포 시에 경화제와 주제의 질량비 변화는 열분해 반응이 가장 활발하게 발생되는 기준 온도{(Tₚ)} 및 기준 반응률{(rₚ)}에 거의 영향을 주지 않음이 확인되었다. Thermo-gravimetric analysis(TGA)의 승온 속도가 증가됨에 따라 더 높은 열분해 반응속도가 예측될 수 있다. 다양한 승온 속도가 고려된 Kissinger 방법에 의해 산출된 {Eₐ}는 단일 승온 속도에 의해 산출된 {Tₚ}와 {rₚ}의 입력방법에 비해 보다 정확한 화재확산 예측이 가능할 것으로 예상된다. 그러나 Kissinger 방법에 의한 Eₐ는 약 30%의 전환도에서의 값과 유사함을 Flynn-Wall-Ozawa 방법에 의한 결과를 통해 확인되었다. 그 결과 SPF 표면의 초기 화재확산 관점에서, Kissinger 방법의 적용은 화재 확산속도를 과다 예측할 가능성이 있다. In this study, measurements and a review of the pyrolysis properties required for fire spread simulations of rigid spray polyurethane foam (SPF) were performed. The change in the mass ratio of the hardener and resin during the foaming of the SPF had little effect on the reference temperature and reaction rate at which the pyrolysis reaction most actively occurred. As the heating rate increased in TGA, a higher pyrolysis reaction rate was predicted. The Kissinger method to calculate the activation energy {(Eₐ)} under various heating rates was expected to more accurately predict fire spread phenomena compared to the method that applied {Tₚ} and {rₚ} measured with a single heating rate. However, the {Eₐ} determined by the Kissinger method was similar to the value at a degree of conversion of approximately 30% using the Flynn-Wall-Ozawa method. Consequently, considering the initial fire spread on the SPF surface, the Kissinger method could potentially overestimate the fire spread rate.

콘 칼로리미터를 이용한 케이블의 임계열유속 및 점화온도 측정 연구

문선여(Sun-Yeo Mun),정용훈(Yong-Hun Jung),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.추계

원자력 발전소와 같은 주요 시설에서 케이블로 인한 화재 확산과 관련된 위험은 주요 안전 시설의 보호를 위해 고려되어야 하며, 각 섹션의 화재 확산 위험에 대한 명확한 이해가 필요하다. 단순히 실제 규모의 화재실험에 기반한 예측은 다양한 화재 조건으로 인해 오도될수 있다. 케이블의 화재 위험성 평가에서 요구되는 케이블의 물리적 입력인자는 수치결과의 신뢰성에 절대적인 영향을 미치게 된다. 고체 가연물의 난연성(Flame-retardant) 평가 및 연소물성의 측정을 위해 널리 사용되고 있는 국제 표준화 기구인 ISO 5660-1에 근거한 콘 칼로리미터가 보편적으로 사용되고 있다. 다양한 입력인자 중 점화온도는 콘 히터에서 방출되는 복사열로 인하여 점화되는 순간의 온도를 정확하게 측정하기 어려운 물리량이다. 가연물의 점화온도 및 임계열유속에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 대표적으로 열전대를 이용한 점화온도 측정 및 점화시간을 통해 점화온도 및 임계열유속 산출 방식이 있다. 화재시뮬레이션의 정확도 향상을 위하여 두가지 방식에 대한 정량적인 검토가 필요로하다, 본 연구에서는 국내 원자력에서 사용되는 안전등급 및 비안전등급의 케이블을 대상으로 콘 칼로리미터를 이용하여 점화온도 측정과 점화시간을 통한 점화온도 및 임계 열유속을 산출하였다. 실험 결과 케이블의 직경 차이에 의해 콘 히터에서 방출되는 복사열에 노출되는 실제 표면적에 차이가 발생하며, 이에 따라 측정 인자에 도 영향을 미치게 된다. 또한 케이블 도체에 의한 열전도 효과로 인하여 점화온도, 점화시간 및 임계열유속에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 케이블의 안전 등급에 따른 재질, 케이블 직경에 의한 곡률효과 및 도체에 의한 열전도 현상 등에 의한 입력인자들의 정량적인 차이를 확인하였으며, 이러한 정보는 화재확산 화재시뮬레이션의 신뢰도 향상에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

원자력발전소의 다중 구획에서 화재특성 예측을 위한 FDS 검증 (Part I: 과환기화재 조건)

문선여(Mun, Sun-Yeo),황철홍(Hwang, Cheol-Hong),박종석(Park, Jong Seok),도규식(Do, Kyusik) 한국화재소방학회 2013 한국화재소방학회논문지 Vol.27 No.2

원자력발전소의 강제 환기가 적용된 밀폐된 다중구획에서 실규모 pool 화재를 모사하기 위하여 FDS가 적용되었다. FDS의예측성능은 수치결과와 OECD/NEA 화재실증실험 국제공동연구 프로젝트(PRISME)를통해 얻어진 실험결과의비교를 통해 평가되었다. 단순한 연소모델의 적용으로 발생되는 FDS의 본질적인 한계를 제외하고 FDS 수행과정에서 발생된 사용자 의존성에 따른 FDS의 예측결과 차이를 명확히 확인하기 위하여, 과환기 화재조건이 본 연구에서 검토되었다. 특히 강제 환기시스템에서 정확한 경계조건의 중요성이 상세하게 논의되었다. 급기 및 배기를 위한 환기구의 경계조건은 구획 내부의 열 및 화학적특성에 큰 영향을 주고 있음을 FDS 결과를 통해 알 수 있었으며, 정확한 경계조건이 부여된 FDS는 원전 타입의 다중 구획 내부의 온도, 열유속 및 화학종 농도를 정량적으로 잘 예측하고 있음을 확인하였다. The Fire Dynamics Simulator (FDS) has been applied to simulate a full-scale pool fire in well-confined and mechanically ventilated multi-compartments representative of nuclear power plant. The predictive performance of FDS was evaluated through a comparison of the numerical data with experimental data obtained by the OECD/NEA PRISME project. To identify clearly the FDS results regarding to the user-dependence in the process of FDS implementation except for the intrinsic limitation of FDS such as simple combustion model, only the over-ventilated fire condition was chosen. In particular, the importance of accurate boundary conditions (B.C.) in mechanically ventilated system were discussed in details. It was known from FDS results that the B.C. on inlet and outlet vents did significantly affect the thermal and chemical characteristics inside the compartments. Finally, it was confirmed that the FDS imposed an accurate ventilation B.C. provided qualitatively good agreement with temperatures, heat fluxes and concentrations measured inside the nuclear-type multi-compartments.

콘 칼로리미터를 이용한 화염높이가 CO 및 Soot yields에 미치는 영향

문선여(Sun-Yeo Mun),조재호(Jae-Ho Cho),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.춘계

콘 칼로리미터는 개방된 공간에서 고체 가연물의 난연성에 대한 평가 및 연소물성의 측정을 위해 널리 사용되며, 화재 안전 분야에서 중요한 장치로 인식되고 있다. 콘 칼로리미터를 이용하여 고체 가연물의 표면에 입사되는 복사열유속의 제어를 통해 화재환경의 구현이 가능하다. 특히 재료(Materials)가 적용되는 화재환경을 고려할 경우 복사열유속의 변화에 따른 검토가 중요하다. 콘 칼로리미터에서 입사되는 복사열유속에 따른 MLR의 변화는 공기 유입, 화염의 신장율 및 복사율의 변화로 인하여 화염온도의 변화를 가져올 수 있다. 동시에 화염높이에 따른 체류시간의 변화가 발생 될 수 있다. 이론적으로 생성된 CO가 산화되기 위해 요구되는 충분한 공기의 유입이 없거나 산화반응을 위한 체류시간이 부족할 때 CO의 생성은 증가 될 수 있다. 이러한 CO의 생성원리를 개방공간에서 충분한 공기가 유입되는 콘 칼로리미터에서의 실험 환경에 적용해보면, CO와 공기의 혼합은 CO 생성에 큰 영향을 주지 않을 수 있다. 반면에 입사되는 복사열유속의 변화에 따른 MLR 및 화염높이의 변화는 CO의 산화반응의 조건을 충족하는 영역에서의 체류시간에 영향을 미칠 가능성이 있다. CO에 비해 보다 복잡한 생성특성을 갖는 Soot의 경우 화염온도와 고온 영역에서의 체류시간은 화염에서의 Soot 형성을 제어하는 지배적인 매개변수로 알려져 있다. 결론적으로 입사되는 열유속에 따라 Soot의 성질(properties) 및 생성량에도 상당한 차이가 발생 될 수 있다. 또한 Soot 형상과 관련된 다양한 인자들과 복잡한 화학반응속도론(chemical kinetics)의 비선형적인 특성을 고려할 때, 입사되는 복사열유속에 따른 Soot yield의 정량적 변화는 충분히 검토될 필요가 있다. 최종적으로 화염높이는 CO와 Soot yields의 변화를 가져올 수 있는 상당한 가능성이 있다. 그럼에도 불구하고 콘 칼로리미터에서 CO 및 Soot yields의 측정에는 입사되는 복사열유속의 영향이 충분히 고려되지 않는 실정이 며, 본 연구에서는 콘 칼로미터에서 입사되는 복사열유속의 변화에 따른 화염의 길이, CO 및 Soot yields를 측정하여 유효한 경향에 관한 검토가 수행되었다.

CO₂에 의한 층류 확산화염의 소화기구에 관한 정량적 분석

문선여(Mun, Sun-Yeo),황철홍(Hwang, Cheol-Hong),오창보(Oh, Chang-Bo),박원희(Park, Won-Hee) 한국화재소방학회 2011 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2011 No.추계

대표적 가스계 소화약제인 <TEX>$CO_2$</TEX>의 소화기구(Extinguishing mechanism)를 재조명하기 위하여, <TEX>$CH_4$</TEX>/air 저 신장율 대향류 확산화염을 대상으로 <TEX>$CO_2$</TEX>가 소화에 미치는 영향에 대한 수치해석이 수행되었다. 부력이 지배적인 화염의 소화현상은 복사 열손실에 의해 큰 영향을 받기 때문에, 소화농도 예측에 대한 복사모델의 성능평가가 우선적으로 이루어졌다. 주요 결과로서, 공기류에 첨가된 <TEX>$CO_2$</TEX>의 소화농도는 복사모델이 고려되지 않은 경우 과다 예측되는 반면에, 간략화된 광학적으로 얇은 근사(Optically thin approximation) 모델과 비교적 높은 정확도를 갖는 좁은 밴드(Statistical narrow band) 모델은 실험의 오차범위 내에서 큰 차이를 보이지 않았다. <TEX>$CO_2$</TEX>가 소화에 미치는 순수 희석효과, 희석에 의한 복사효과, 화학적 효과 및 열적효과를 정량적으로 분석하기 위하여 가상의 소화약제의 개념을 도입하였다. 이를 통해 화염의 총괄신장율에 따른 <TEX>$CO_2$</TEX> 소화효과에 대한 구체적인 이해가 시도되었다.

마이크로 가스터빈용 하이브리드/이중 선회제트 연소기 개발

문선여(Sun-Yeo Mun),황철홍(Cheol-Hong Hwang),이기만(Kee-Man Lee) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회지 Vol.17 No.5

The isothermal flow structure and mixing characteristics of a hybrid/dual swirl jet combustor for micro-gas turbine (MGT) were numerically investigated. Location of pilot burner, swirl angle and direction were varied as main parameters with the identical thermal load. As a result, the variations in location of pilot nozzle, swirl angle and direction resulted in the significant change in turbulent flow field near burner exit, in particular, center toroidal recirculation zone (CTRZ) as well as turbulent intensity, and thus the flame stability and emission performance might be significantly changed. With the comparison of experimental results, the case of swirl angle 45o and co-swirl flow including optimum location of pilot burner were chosen in terms of the flame stability and emissions for the development of hybrid/dual swirl jet combustor.

실시간 화염 높이 측정을 위한 광학장치의 개발

문선여(Sun-Yeo Mun),양현혁(Hyeon-Hyeok Yang),황철홍(Cheol-Hong Hwang) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.추계

건축물의 화재안전 설계, 화재위험성 평가 및 화재 대응 체계 구축하기 위하여 화재의 화염 높이는 고려해야 할 중요한 요소이다. 화염의 높이는 건축 구조물의 내화 성능, 화재확산, 화재진압 및 피난설비 등 화재안전과 직접적으로 연관된 주요한 물리량이라 할 수 있다. 또한 화재에서 주로 발생되는 확산화염의 길이는 연료의 종류, 화원의 크기 및 연료/공기의 공급유량 등에 주로 영향을 받으며 구획화재에서는 개구부로의 출화(Exhaust fire) 및 플래시오버(Flashover) 발생 시기에 영향을 줄 수 있다. 콘 칼로리미터(Cone calorimeter)는 개방된 공간에서 고체 가연물의 난연성능에 대한 평가 및 연소특성의 측정을 위해 널리 사용되고 있다. 콘 칼로리미터에서 복사열유속에 따른 MLR의 변화는 공기유입(Air entrainment), 화염신장률(Flame strain rate) 그리고 복사열(Radiation)의 변화로 인하여 화염의 온도, 화염의 높이 및 체류시간에 변화가 발생된다. 결론적으로 복사열유속에 따라 soot의 성질(Properties) 뿐만 아니라 soot의 생성량에도 상당한 차이가 발생 될 수 있다. 콘 칼로리미터에서 복사열유속에 따른 연소생성물(CO, Soot yield)의 정량적인 변화 분석을 위하여 화염의 가장 기초적인 물리량에 해당되는 화염높이와의 비교 검토가 필요하다. 그러나 콘 칼로리미터에서는 장치적으로 배기후드 안쪽으로 화염이 형성되기에 화염 높이 측정에 어려움이 있으며, 콘 칼로리미터에서 화염 높이에 대한 연구는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서는 다양한 위치에서 실시간 화염높이 측정 및 장치 설치가 용이하며, 특히 콘 칼로리미터에서 화염높이 측정이 가능한 광학장치를 이용한 실시간 화염높이 측정장치를 개발하고자 한다. 개발된 장치의 상대적인 측정 정확도를 확인하기 위하여, 확산화염 조건에서 직접시각화 방법(비디오) 및 기존 상관식(Heskestad)을 활용하여 평균화염높이를 정량적으로 비교 검토하였다.

국소방출방식 개념의 대향류 확산화염에서 CO₂ 소화효과에 관한 수치해석 연구

문선여,박충화,황철홍,오창보,Mun, Sun-Yeo,Park, Chung-Hwa,Hwang, Cheol-Hong,Oh, Chang-Bo 한국화재소방학회 2012 한국화재소방학회논문지 Vol.26 No.4

소화약제의 국소방출방식 개념이 적용될 수 있는 대향류 확산화염을 대상으로 $CO_2$ 소화약제의 소화기구를 재조명하기 위한 연구가 시도되었다. 이를 위해 연료 또는 공기류에 $CO_2$가 첨가된 낮은 총괄신장율의 $CH_4$/air 대향류 확산화염이 상세반응을 이용한 수치해석을 통해 검토되었다. 첨가된 $CO_2$를 포함한 복사 참여 화학종의 복사 열손실을 고려하기 위하여 optically thin model(OTM)이 적용되었다. 주요 결과로서, 공기류에 첨가된 $CO_2$의 소화농도 예측결과는 문헌에 보고된 실험결과를 적절하게 예측하고 있으나, 연료류에 첨가된 경우 다소 과소 예측된 결과를 확인하였다. 소화효과에 대한 정량적 분석을 위하여 가상의 소화약제의 개념이 도입되었다. $CO_2$ 소화효과의 분석을 통해 총괄신장율($a_g$)에 따른 순수 희석효과, 복사 열손실 및 열용량에 의한 열적효과 그리고 $CO_2$의 연쇄반응 억제를 통한 화학적 효과의 정량적 기여도를 구체적으로 확인할 수 있었다. The suppression mechanisms of carbon dioxide ($CO_2$) as a representative fire suppression agent were revisited using a counterflow diffusion flame which could be applied the concept of a local application system. To end this, the low strain rate $CH_4$/air counterflow diffusions with $CO_2$ addition in either fuel or oxidizer stream were examined numerically using detailed-kinetic chemistry. Radiative heat loss due to radiating gas species including $CO_2$ added was considered by the optically thin model (OTM). As a result, the critical $CO_2$ volume fractions in the oxidizer stream required to extinguish the flame were in good agreement with the experimental data reported in the literature, while somewhat under-prediction was observed with $CO_2$ added in the fuel stream. The surrogate agents were adopted to estimate the quantitative contribution with changing in global strain rate ($a_g$) on the flame extinguishment among pure dilution effect, thermal effects including radiation heat loss and chemical effect due to the $CO_2$ fire suppression agent.