구획실 내부 백드래프트 동역학에 대한 전산해석 연구

Abstract

백드래프트는 밀폐된 건물내부의 실내공간에서 발생하는 화재구를 동반하는 폭발성 화재현상 중 하나로서, 거주자와 화재진압을 하는 소방관들의 생명을 위협해 왔다. 이러한 백드래프트는 반복적인 실험이 어렵고 잠재적인 위험성 때문에 많은 연구가 진행되지 못했지만, 전산해석적인 접근을 통해 백드래프트 현상을 이해하는 데 많은 기여를 할 수 있다. 계산은 미국국립표준기술연구소(NIST)에서 개발된 화재 해석 시뮬레이션 프로그램(FDS)을 이용하였으며 메시지 전달 인터페이스(MPI) 병렬 계산 기법을 사용하여 계산시간에 필요한 시간을 줄였다. 복잡한 연소특성을 보이는 백드래프트의 현상을 해상하기 위하여 FDS의 코드를 수정한 기존의 연구와는 달리 직접수치모사(DNS)기법과 유한 화학반응율 연소모델을 적용하여 별도의 모델과 소스코드의 수정 없이 계산을 수행하는 Model-free simulation(MFS)으로 계산을 수행하였다. 1단계(1-STEP) 및 3단계 총괄화학반응기구(3-STEP)을 적용하여 계산을 수행하였으며, FDS에 기본으로 내장되어 있는 간단한 복사모델(GRAY)과 복사모델이 적용되지 않은 단열모델(ADIA)을 고려하여 각각의 영향을 검토하였다. 계산에 사용된 구획실의 크기 및 내부 경계조건은 기존의 실험연구를 참고하여 설정하였다. 백드래프트의 동역학적 거동 및 개시조건에 대한 전산해석 연구를 통해 얻어진 결과들은 다음과 같다. 개구부의 개방과 함께 구획실 내부 고온의 연료는 개구부 상부측을 통해 외부로 흐르고, 외부의 상온의 공기는 하부 측을 통해 내부로 유입되는 중력흐름의 흐름을 재현하였다. 점화된 화염의 열팽창에 기인하여 개구부를 통해 외부로 분출되는 연료공기의 혼합기와, 폭발하듯 분출되는 화재구의 거동을 모사하였으며, 이 결과들은 기존 연구자들의 실험과 정성적으로 유사함을 확인하였다. 또한, 구획실 내부의 벽면에서 측정된 압력의 변화를 검토해본 결과, 기존의 실험과 동일하게 두 개의 피크를 가지는 거동을 보임을 확인하였다. ADIA 는 GRAY 보다 백드래프트의 전개는 더 빠르게 예측하였으며, 천장에서의 온도는 과대 예측하였다. 그리고 ADIA 에서는 구획실 하부 측에서의 복사에 의한 국소점화 현상이 발생하지 않음을 알았다. 또한, 1-STEP 은 3-STEP 보다 점화 이 후 화염의 전파속도를 빠르게 예측하였으며, 화재구의 크기도 더 크게 예측하였다. 수치계산을 통해 백드래프트의 발생을 지시하는 임계 연료농도를 기존의 실험연구와 함께 비교해본 결과, 1-STEP 은 최대압력을 과대 예측하지만, 실험적 경향을 정성적으로 잘 추종하였으며, 3-STEP 의 경우 정석적 그리고 정량적으로도 합리적인 수준으로 실험의 결과를 잘 추종함을 알았다.

The backdraft is one of the hazardous fire phenomena occurring in a compartment, which has threatened the life of fire fighters and residents. Due to the difficulties of the repeated experiments and its potential hazard, computational approaches can be an important role to understand the initial condition and dynamics of backdraft. Fire dynamics simulator (FDS) developed by NIST was used with message passing interface parallel computation. Model-free simulation, which uses direct numerical simulation and a finite chemistry model, was considered to remove any uncertainty caused by turbulence modeling. Two finite chemistry combustion models, 1-step reaction mechanism (1-STEP) and 3-step global reaction (3-STEP), and two radiation models, a gray gas radiation model (GRAY) and adiabatic model (ADIA), were considered to figure out each effect on the dynamics of backdraft simulation. The reduced-scale compartment was considered with horizontal opening window. A gravity currents that fresh air entered into the compartment and hot fuel flowed out of the compartment were found after opening window opened. The explosive fuel vapor cloud and fire ball behaviors were reasonably simulated compared to previous experimental studies. In addition, two peak pressures near the window opening, which is very important factor during the process of the backdraft development, were validated compared qualitatively and quantitatively to the previous experimental studies. ADIA predicted shorter deflagration travelling time (ttrav) and higher temperature near ceiling in the compartment than GRAY. In addition, ADIA did not predict local ignition in the lower side of compartment. Also, 1-STEP predicted shorter ttrav and larger flame ball size than 3-STEP. Computational results of critical fuel mass fraction, which indicate the occurrence of the backdraft, were found and 1-STEP quantitatively over-predicted but qualitatively predicted well. Quantitative and qualitative correlation between simulation and experimental results was found when using 3-STEP.