개구부의 기하학적 형상이 구획실의 연료-공기 혼합특성 및 백드래프트 거동에 미치는 영향

Geometric Effects of Compartment Opening on Fuel-Air Mixing and Backdraft Behavior

Abstract

메탄 연료성분이 가득 찬 축소 구획실을 대상으로 개구부에서 유입된 공기와 내부 연료의 혼합특성과 백드래프트 발생특성을 규명하기 위해 대와동모사를 수행하였다. 통상의 문 형태(Door)와 가로 형태의 문이 벽면 상단($Slot_U$), 중단($Slot_M$) 및 하단($Slot_L$)에 있는 구획실의 4가지 개구부 조건들에 대해서 검토를 수행하였다. 점화원이 없을 경우 구획실 내부로 유입되는 산소의 양과 외부로 유출되는 연료의 양은 Door > $Slot_U$ ~ $Slot_M$ > $Slot_L$의 순서로 크지만 $Slot_U$의 경우가 구획실 내부에서 연료와 산소가 전체적으로 가장 잘 혼합되었고 $Slot_L$의 경우에는 연료와 산소가 층을 이루어 혼합이 가장 잘 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 구획실 내 산소량과 연료량으로 정의되는 총괄당량비는 구획실에서 발생하는 백드래프트의 강도와 잘 연관되지 않음을 확인하였다. 백드래프트 발생 시의 구획실 내부의 최고 압력은 혼합이 가장 잘 이루어진 $Slot_U$가 가장 높게 나타났으며 $Slot_L$의 경우에는 압력상승이 낮아 백드래프트가 발생하지 않았다. 백드래프트 발생 시 Door와 $Slot_M$ 조건에서의 최고 압력값은 $Slot_U$ 다음 순서로 나타났으며, 각 조건들의 최고압력은 백드래프트 발생순간까지의 총 열발생량과 잘 연관되어 설명될 수 있었다.

Mixing characteristics and backdraft dynamics were investigated using large eddy simulation for compartments initially filled with methane fuel. Four different opening geometries, i.e. conventional door opening case (Door) and the cases where horizontal door was implemented on the upper ($Slot_U$), middle ($Slot_M$) and lower part ($Slot_L$) of side wall, were considered in the simulations. For cases without ignition, the amounts of inflow oxygen and outflow fuel from the compartment opening were, from largest to smallest, Door > $Slot_U$ ~ $Slot_M$ > $Slot_L$. However, the fuel and oxygen were the best mixed for the $Slot_U$ case while the fuel and oxygen were not well mixed and in relatively separated two layers for the $Slot_L$ case. The global equivalence ratio defined by the amounts of fuel and oxygen in the compartment was not correlated reasonably with the peak pressure of backdraft. The peak pressure during backdraft was the highest for the $Slot_U$ case, a well mixed condition of fuel and air, and backdraft was not found for the $Slot_L$ where the pressure rise was not so high due to the mixing status. The peak pressures for the Door and $Slot_M$ cases were in between Door and $Slot_L$ cases. The peak pressure during backdraft was well correlated with the total amount of heat release until the instance of backdraft occurrence.

1. 서론

미연 연료가스 성분이 가득 차 있는 환기부족 상태의 밀폐 구획실에서 개구부를 개방하게 되면 외부의 차가운 공기가 밀도차에 의해 중력흐름(Gravity current) 현상을 보이면서 내부로 유입되게 된다. 이렇게 유입된 공기는 내부의 연료성분과 혼합되어 가연혼합기를 형성하고 만약 점화원이 존재한다면 점화되어 화재구를 동반하는 폭발성 화재의 형태로 개구부를 통해 방출되게 된다. 이러한 현상을 백드래프트(Back draft)라고 부르고 있는데 이 현상은 순간적으로 발생하는 폭발성 화재이기 때문에 건물 내 거주자나 화재진압 현장에 있는 소방관들에게 매우 위험하다. 백드래프트에 대한 위험성에 대해서는 이미 잘 알려져 있지만 백드래프트에 대한 거동과 발생조건 등 발생 가능성 예측을 위해 필요한 기초 정보들에 대해서는 아직까지는 많은 연구가 진행되어 있지 않은 상태이다.

백드래프트에 대한 연구는 축소 구획실을 대상으로 가스연료를 이용한 Fleischmann의 재현실험⁽¹⁾이 성공적으로 이루어진 이후부터 본격적으로 진행되고 있다. 초기 연구로서 Fleischmann등⁽²⁾은 중력흐름에 대한 연구를 수행하였는데 이 연구에서는 구획실의 개구부 형상에 따라 구획실 내부 전체의 혼합영역이 달라진다는 것을 확인하였다. Weng 등⁽³⁾은 개구부 형상이 다른 축소 구획실에서 백드래프트에 대한 실험연구를 수행한 결과 구획실의 개구부 형상에 따라 백드래프트가 발생하는 조건인 임계 연료농도가 달라진다는 것을 확인한 바 있다.

근래에는 백드래프트에 대한 전산해석 연구도 일부 진행된 바 있다. 초기 연구에서는 백드래프트를 전산해석하기 위한 연소모델의 검토가 이루어진 바 있으며⁽⁴⁾, 대와 동모사(Large Eddy Simulation, LES)를 이용하여 백드래프트를 전산해석하고 실험결과와 비교한 연구가 있으나 압력변화에 대해서는 실험결과를 합리적으로 예측하는 데에는 한계를 보였다⁽⁵⁾.

최근에 본 연구그룹에서는 NIST에서 개발한 Fire Dynamics Simulator (FDS)를 이용하여 백드래프트에 대한 전산해석연구를 지속적으로 수행해오고 있다. Park 등⁽⁶⁾은 FDS v5를 이용하여 백드래프트 현상의 수치적 재현성에 관한 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 FDS v5에서 LES에 혼합분율 연소모델을 적용한 경우에는 초기에 예혼합화염(혹은 부분예혼합화염)처럼 전파되는 특성을 가진 백드래프트의 거동을 모사할 수 없음을 확인하였다. 따라서 이후 연구에서는 FDS v5에서 직접수치모사법(Direct Numerical Simulation, DNS)을 적용하고 유한화학반응모델을 함께 사용하였을 때구획실내 최고압력에 대한 실험결과와의 비교를 통해 백드래프트를 합리적으로 모사할 수 있음을 확인하였다⁽⁷⁾. 또한 Park 등⁽⁸⁾은 백드래프트가 발생하기 전 단계인 구획실 내부 중력흐름에 미치는 개구부 형상의 영향에 대한 수치적 연구를 수행하였고 이를 통해 개구부 형태에 따라 중력흐름전개가 달라진다는 것을 확인하였다. 최근 Eddy Dissipation Model (EDM)과 Eddy Dissipation Concept Model(EDC)이 하이브리드 연소모델로 탑재된 FDS version 6이 공개된 이후에는 LES와 연소모델에 사용된 화학반응모델을 검토하여 Mixing-controlled Fast Chemistry(통상 EDM으로 불림) 모델을LES에 적용할 경우 백드래프트를 합리적으로 모사할 수 있음을 확인하였으며 향후 백드래프트 연구에서 LES를 이용한 전산해석이 매우 유용한 도구가 될 수 있음을 보였다⁽⁹⁾.

백드래프트의 거동에 미치는 인자들은 개구부 내의 가스 성분 조성, 온도, 구획실 개구부의 기하학적 형상, 위치, 크기 등 매우 다양하다. 특히 구획실 내부로 유입되는 공기의 양과 내부 혼합상태는 백드래프트의 초기 전파거동과 강도 등에 매우 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 반드시 검토해 볼 필요가 있다. 백드래프트에 대한 실험은 재현도 어렵고 제한적인 조건에 대해서만 수행이 가능한 경우가 많기 때문에 백드래프트의 거동을 합리적으로 예측할 수 있는 전산해석 연구를 진행하는 것도 매우 의미 있다고 생각한다.

따라서 본 연구에서는 구획실 내부로 유입되는 공기의 양과 내부 연료-공기의 혼합상태가 백드래프트의 거동에 미치는 영향을 전산해석을 통해 고찰하였다. 전산해석에는 기존 연구를 통해 백드래프트를 합리적으로 예측하는 것으로 알려진 LES와 연소모델을 적용하였다. 구획실 내부의 연료-공기 혼합상태를 변화시키기 위해 구획실 개구부의 형상과 위치를 변화시켰으며 이들 변화에 따른 공기의 유입특성과 백드래프트의 거동의 변화를 고찰하였다.

2. 수치계산 방법

백드래프트 연구를 위해 NIST에서 개발된 FDS v6.3.2⁽¹⁰⁾를 사용하여 LES 계산을 수행하였다. 연소모델로는 기존 연구⁽⁹⁾를 통해서 백드래프트를 합리적으로 예측하는 것으로 알려진 1-step Mixing-controlled Fast Chemistry를 적용하였고, 복사모델로는 Gray-gas 모델을 적용하였다. 그 외 수치계산 방법은 FDS의 기본 모델들과 수치계산법(Default)을 그대로 적용하였다.

Weng과 Fan의 실험논문⁽¹¹⁾을 참고하여 Figure 1과 같이축소규모의 구획실(1.2 m × 0.6 m × 0.6 m)을 전산해석 대상으로 하였다. 계산영역은 백드래프트의 화재구가 앞으로 분출되는 것을 고려하여 앞쪽방향으로 구획실 가로방향 길이의 2.5 배만큼, 위쪽방향으로 구획실 높이방향 길이의 2배만큼 늘려서 지정하였다. 계산영역은 2.5 cm의 균일 격자로 구성된 총 169,000개의 격자계로 모델링 되었다. 이 격자크기는 기존의 연구를 통해서 본 연구와 동일한 크기의 구획실과 연료를 사용할 경우 백드래프트의 거동을 합리적으로 예측할 수 있음을 확인하였다⁽⁹⁾.

Figure 1. Schematic of the compartment geometry and computational domain.

구획실의 개구부는 Figure 1에서 보이는 우측벽에 지정하였다. 또한 구획실의 개구부의 기하학적 형상이 구획실 내부 연료-공기 혼합과정에 미치는 영향을 확인하기 위해 Figure 2에서 보이는 바와 같이 면적이 동일한 총 4 개의 개구부 조건인 Door, Slot_U, Slot_M 및 Slot_L을 대상으로 계산을 수행하였다. 기존의 실험연구⁽¹¹⁾와 동일하게 구획실 가장 안쪽벽면과 인접한 중앙에는 가로 × 세로 × 높이 = 0.15m × 0.15 m × 0.15 m 크기의 점화용 버너를 위치시켰다. 각 개구부 조건에 대해 구획실 내부로 유입되는 공기가 구획실 안쪽 벽면까지 도달하는 시간에 차이가 있었기 때문에 이를 고려하여 점화순간(tig)은 Door의 경우에는 개구부개방 후 2 s, 나머지 개구부 조건들은 개구부 개방 후 3 s로 하였다. 각 점화순간에는 점화용 버너 상부면에서 1500 ℃의 고온 질소를 0.05 m/s의 유속을 갖고 0.5 s간 분사하여 서연료-공기 혼합기를 점화시켰다.

Figure 2. Schematic of compartment opening geometry and location of numerical pressure sensor for each opening condition.

구획실 내부 혼합기의 초기 조성은 기존의 실험연구⁽¹¹⁾와 동일하도록 하였으며, 구체적인 농도값은 Table 1에서 보는 바와 같다. 구획실 내부 혼합기 중에서 연료성분은 메탄(CH4)이며 구획실 내부의 초기온도도 실험연구를 참고하여 결정하였으며 103 ℃로 균일한 값을 갖도록 하였다. 구획실의 개구부는 계산이 시작됨과 동시에 열리며 시간에 따라 각각의 개구부를 통해 외부공기의 유입과 내부 혼합기의 유출이 이루어진다.

Table 1. Initial Species Mass Fractions and Temperature of Mixture in the Compartment.

본 연구의 목적인 구획실 내부 연료-공기의 혼합특성과 그에 따른 백드래프트 거동을 검토하기 위해 구획실 내부 전체의 메탄과 산소의 질량을 수치적으로 측정하고 국부적인 위치에서의 압력도 확인하였다. Figure 2에서 개구부 상단 모서리 근처 중앙의 원은 수치계산 시 지정한 압력센서의 위치를 나타낸 다. 이 압력센서 위치는 백드래프트의 거동을 비교적 합리적으로 모니터링할 수 있다고 알려진 기존 연구결과에⁽¹²⁾ 따라 결정하였다.

수치계산을 위해 Intel(R) Core(TM) i7_4770K CPU 3.5GHz의 성능을 가진 컴퓨터에서 10개의 Core를 이용한 Message Passing Interface(MPI) 병렬계산을 수행하였다. 계산시간은 개구부 형상 및 점화시간에 따라 다르지만 한 조건 당 약 10 CPU Hrs가 소요되었다.

기존 연구를 통해 본 연구와 동일한 크기의 구획실을 대상으로 메탄연료에서 발생한 백드래프트에 LES를 수행하고 얻어진 최고 압력값과 백드래프트 발생을 위한 임계 연료농도를 실험결과와 비교하여 예측 타당성을 확인한 바 있다⁽¹³⁾. 따라서 본 연구에 적용하고 있는 전산해석기법은 축소 구획실의 메탄 백드래프트에 대해서는 충분히 타당한 결과를 보여줄 것으로 판단된다.

3. 결과 및 고찰

Figure 3는 점화원을 공급 하지 않았을 경우, 4가지 구획실 개구부 형상 조건에서 시간에 따른 구획실 내, 외부의 산소농도 분포를 보여주고 있다. 산소분포는 공기분포와직결되기 때문에 이후부터는 ‘산소’와 ‘공기’의 용어를 필요에 따라 혼용해서 기술하겠다. 우선 구획실 내부 벽면까지의 산소유입 시간은 Door의 경우가 가장 빠르게 진행되며 나머지 개구부 조건들이 비슷한 수준임을 알 수 있다. 개구부가 개방된 이후 Door의 경우에는 구획실 바닥을 따라서 넓은 고농도 산소영역이 보이며 구획실 중간에서의 혼합영역도 비교적 크게 나타나고 있다. Slot_U과 Slot_M의 경우에는 내부 연료(연료 혼합기)와의 혼합영역이 넓게 나타나고 있지만 Slot_L의 경우에는 유입된 산소는 구획실 바닥 근처에만 분포하고 있으며 구획실 내부 연료와의 혼합영역이 매우 좁게 나타나고 있어 다른 개구부 조건들에 비해 연료-산소의 혼합이 잘 일어나고 있지는 않음을 알 수 있다. 산소농도가 낮게 나타나는 영역은 내부의 연료 혼합기가 많이 존재하는 영역인데 Door인 경우에는 산소가 구획실 내부로 빨리 유입되지만 내부의 연료 혼합기도 강하게 배출되고 있음을 알 수 있다. 이러한 내부 연료 혼합기의 배출경향은 Slot_U과 Slot_M이 유사한 수준이고 Slot_L의 경우에는 유출되는 연료 혼합기양도 매우 적은 것으로 보인다. 즉, 산소 유입량도 적고 연료 혼합기의 배출량도 적을 뿐만 아니라 외부 유입 산소와 내부 연료 혼합기가 잘 혼합되지 않고 층을 이루고 분포하는 특징을 보여주고 있다.

Figure 3. Temporal distributions of oxygen mass fraction for different opening geometries without ignition.

외부 공기가 구획실 내부의 바닥을 타고 유입되는 현상은 중력흐름(Gravity current)이라고 하는데 이 중력흐름은 구획실 내부 혼합기와 외부 공기와의 밀도차에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다^(14,15). 또한 구획실에 유입 되는 공기량이나 유출 되는 내부 혼합가스의 양은 구획실 내외부의 밀도차와 개구부 높이에 영향을 받게 된다⁽¹⁵⁾. 각 조건에 대해서 구획실 내외부의 밀도차는 동일하지만 Door의 경우 개구부의 높이가 크기 때문에 유입되는 공기량과 유출되는 연료량은 Slot 형태의 다른 개구부 조건들보다 크게 나타나는 것으로 보인다. 그러나 Slot형 개구부들의 경우에는 높이는 동일하지만 구획실 벽면에서의 Slot 상하위치에 따라서도 유입 공기량이나 유출 연료량이 달라질 수 있음을 알 수 있다. 온도가 높고 밀도가 낮은 내부 혼합기는 개구부 상부에서 위로 올라가면서 배출된다. 그러나, Slot _L의 경우에는 개구부가 구획실 벽면의 하단에 위치하게 되어 상대적으로 밀도가 높은 외부 공기가 바닥면 근처에서 유입되면서 내부 혼합기는 외부로 원활하게 유출되지 못하고 구획실 내부에 많이 남게 된다. 이로 인해 외부 공기가 구획실 내부로 유입되는 양도 상대적으로 제한된다. Figure 3(d)는 이러한 경향을 잘 보여주고 있다. 또 한 가지 특징적인 것은 개구부의 상단높이 이상에서는 구획실 내부의 연료 혼합기기 바깥쪽으로 충분히 유출되지 못하고 시간이 경과할수록 구획실 내부에 층을 이루고 분포하게 되는데Slot 형태의 개구부가 벽면 하부에 위치한 Slot_L 조건에서 연료와 공기층의 분리가 가장 두드러지게 나타나고 있다. Slot_U의 경우에는 벽면 상부측에 위치한 Slot 형태의 개구부하부측에서 공기가 구획실 내부 아래쪽으로 하강한 후 바닥을 타고 안쪽으로 유입된다. 동시에 내부 연료 혼합기는 개구부 상부측을 통해 바깥으로 유출되는 데 이러한 과정에서 구획실 내부에서는 연료-공기의 혼합이 매우 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 이러한 혼합특성은 백드래프트의 강도에도 영향을 주게 되는데 자세한 것은 이후에 논의하겠다.

Figure 4에는 산소와 연료 혼합기의 유입, 유출 정도를 정량적으로 확인하기 위하여 구획실 내부 전체 공간에서 합산된 산소와 연료질량의 시간에 따른 변화를 도시하였다. 그림에서 시간에 따른 질량변화 기울기는 산소의 유입이나 연료의 유출이 동일하게 Door > Slot_U ~ Slot_M > Slot _L의 순서로 빠르게 이루어지고 있어 동일한 시간에서의 산소 유입량은 같은 순서로 나타나게 되며 연료 유출량은 그반대 순서가 된다.

Figure 4. Temporal variations of fuel and oxygen masses inside the compartment for different opening geometries without ignition.

연료와 산소의 양을 별도로 고찰하기 보다는 연소에 중요한 연료-산소의 비율로 고찰하는 것이 백드래프트의 발생특성을 이해하는데 더 도움이 될 수 있다. 따라서 Figure 5에는 백드래프트 거동과 좀 더 직접적으로 연관되는 구획실 내부의 연료-산소 혼합비율인 총괄당량비(Global equivalenceratio, Ø_g ) 변화를 도시하였다. 총괄당량비 Ø_g는 다음 식 (1)과 같이 정의된다.

\(\phi_{g}=\frac{\left(m_{C H_{4}} / m_{O_{2}}\right)_{c o m p t}}{\left(m_{C H_{4}} / m_{O_{2}}\right)_{s t o i}}\)                   (1)

Figure 5. Temporal variations of the global equivalence ratios inside the compartment for different opening geometries without ignition.

여기서, \(({m_{CH_{4}}}/{m_{O_2}})_{compt}\)는 구획실 내부에서의 메탄 연료전체질량과 산소 전체질량의 비를 의미하며 \(({m_{CH_{4}}}/{m_{O_2}})_{stoi}\)는 이론혼합비로 계산되는 메탄연료와 산소의 질량비이다.

Table 1에서 보는 바와 같이 초기 구획실 내부의 혼합기에는 산소성분이 적기 때문에 당량비가 비교적 높은 값을 갖는다. Figure 5를 보면 Door 조건의 경우는 공기의 유입과 연료 혼합기의 유출이 가장 빠르기 때문에 총괄당량비가 가장 빨리 줄어들고 있으며, 약 7.3 s 이후에는 총괄당량비가 1이하로 떨어지게 된다. Slot_L의 경우에는 공기의 유입과 연료 혼합기의 유출이 가장 느리기 때문에 총괄당량비는 가장 천천히 줄어들고 있으며 11 s가 경과되어도 총괄당량비는 1에 접근하지 못하고 있다. 앞에서 고찰한 바와 같이 Slot_U과 Slot_M의 총괄당량비는 Door 조건과 Slot_L 조건의 중간정도의 경향을 보이고 있다. 그러나 Figure 4에서 보는 바와 같이 Slot_L의 경우에는 유입된 공기와 구획실 내부의 연료가 층이 나누어지면서 혼합도 충분히 진행되지 못하고 있기 때문에 백드래프트 고찰 시에는 이러한 혼합상태에도 주목할 필요가 있다.

Figure 6에는 개구부 조건별로 발생한 백드래프트의 거동을 나타내기 위해 단위 체적당 열발생률값(Heat releaserate per unit volume, HRR)이 200 kW/m³ 이상인 영역을 도시하였다. 그리고 Figure 7에는 대표적으로 Slot_U 조건에 대해서 시간대별 구획실 내부의 온도와 압력분포를 도시하였다. HRR은 화염면에서 가장 높기 때문에 화염면의 거동을 고찰하기에 매우 적합하다. 그림에서 각 결과의 맨 위 시간은 점화시간을 의미한다. 또한 백드래프트의 거동을 잘 이해하기 위해서 Table 2에는 각 개구부 조건들에 대해서 개구부 상단 모서리 중심에서의 압력과 y = 0.32 m인 중심단면에서의 최대압력, 구획실 내부에서의 최대 열발생률과총 열발생량을 표시하였다. 우선 Figure 6에서 백드래프트의 전개 거동을 보면 Door, Slot_U 및 SlotM_은 개구부 바깥으로 분출되는 화재구의 강도차이는 있어 보이지만 시작부터 화재구 분출까지 기존 연구^(13,16)에서 알려진 전형적인 백드래프트의 특성을 보인다. Figure 7에서도 볼 수 있듯이 점화원에서 연료-공기 혼합기가 점화된 후 초기의 화염은 점화원 위로 상승하여 풀화재와 유사한 형태를 보인다. 이후Figure 6에서 보는 바와 같이 천장 근처에서 혀(Tongue) 모양의 넓은 화염으로 바뀐 후 화염면은 구획실 아래쪽으로 서서히 전파되기 시작한다. 화염이 구획실 바닥쪽으로 전파되는 과정에서 연료-공기가 잘 혼합된 혼합층 위치에 이르게 되면 화염면의 연소반응은 강해지고 화염면 후방영역(Post flame zone, PFZ)의 온도는 순간적으로 더 높아지게 된다. 이 때 온도증가와 밀도감소가 동반되며 이에 따른 열팽창 효과에 의해서 압력은 급격히 증가하게 된다. 또한 순간적으로 높아진 화염온도에 의해 구획실 바닥면 근처의 혼합기도 복사열전달에 의해 순간적으로 연소되면서 화염이 바닥면 근처로 확장된다⁽⁷⁾. 혀 모양 화염이 구획실 바닥 쪽으로 전파되는 도중에 압력이 순간적으로 상승하는 순간(Slot _U의 경우 Figure 7의 t = 6.48 s)에 화염과 내부 혼합기를 구획실 바깥으로 강하게 밀어내게 되어 백드래프트 현상을 보이게 된다. 반면 Slot_L의 개구부 조건에서는 혀 모양의 화염전파 과정이 다른 조건들보다 약간 느리며 구획실 바닥쪽으로 급격히 화염이 확대되는 과정도 느리다. 이 과정에서 개구부를 통해 분출되는 화염은 강하게 밀리는 형태가 아닌 끝이 단순히 부족환기 조건에서의 화재가 구획실 바깥으로 밀려 나가는 것과 유사한 화염형태를 보이고 있다.

Figure 6. Flame propagation during backdraft denoted by heat release rate per unit volume for different door geometries.

Figure 7. Temporal distributions of temperature and pressure for Slot_U condition with ignition.

Table 2. Heat Release Inside a Compartment During Backdraft Development Corresponding to the Various Ignition Instance for Different Opening Geometries. Shaded Values Represents the Backdraft Occurrence

이러한 화염의 전파과정은 Table 2의 변수들을 검토하면명확히 이해될 수 있다. Door, Slot_U 및 Slot_M 조건들은 구획실내 중심면에서의 최고압력이나 개구부 상단에서의 최고압력이 비교적 높으며 화염이 개구부 밖으로 강하게 분출되는 형상을 보이기 때문에 백드래프트로 볼 수 있다. 그러나 SlotL 조건은 두 가지 최고압력도 다른 개구부 조건들보다 많이 낮고 개구부 밖으로 약하게 밀려나가서 부력으로 인해 상부로 향하는 형태를 보이고 있기 때문에 백드래프트로 보기 어렵다. 참고로 Figure 5에서 구획실 내부의 Ø_g를 검토해보면 점화순간에 Ø_g값은 Door, Slot_U, Slot_M 및 Slot_L 조건에 대해서 각각 2.33, 2.43, 2.36, 2.48로서 큰 차이를 보이지 않았다. 그림에 나타내지는 않았지만 점화를 위해 고온유체를 공급하는 점화용 버너 상부면의 근처에서의 당량비도 각 개구부 조건에 대해 거의 차이가 없음을 확인하였다. 이러한 결과는 구획실 내부에서 백드래프트의 발생여부 혹은 백드래프트의 강도(최고압력)는 연료와 산소각각의 전체적인 양으로 정의된 총괄당량비를 가지고서는 충분히 설명되지 않는다는 것을 알 수 있다. Table 2에서 보면 최고 열발생률도 백드래프트 발생 시의 두 가지 최고압력을 잘 추종하지는 않는다. 특히 최대 열발생률은 Door의 경우에도 Slot_U의 경우와 유사하지만 두 가지 최고압력은 Slot_U보다 많이 낮게 나오기 때문에 백드래프트의 강도와 충분히 연관되어 설명되지는 않는다. 표에서 백드래프트의 특성과 가장 잘 연관되는 변수들은 중심단면에서의 최고압력과 백드래프트 발생 순간까지의 총 열발생량이다. 중심단면에서의 최고압력은 구획실 내부의 최고압력과 거의 일치하였기 때문에 구획실 내부의 최고압력과 총 열발생량은 매우 연관성이 높다고 할 수 있다. 이런 점에서 볼때 총 열발생량은 구획실의 연소상태와 백드래프트의 강도를 연관시키는 중요한 변수가 될 수 있을 것으로 판단된다. 다만 Slot_L 조건의 경우에는 최대압력 순간 이전부터 개구부 바깥에서도 HRR값이 높은 화염이 형성되고 있기 때문에 최고압력은 많이 낮음에도 불구하고 총 열발생량은 Slot _M보다 많이 작지 않다. Slot_L 조건은 백드래프트가 발생한 것이 아니기 때문에 백드래프트가 발생하는 개구부 조건들에서는 구획실 내 최고압력과 총 열발생량은 비교적 잘 연관되는 것으로 나타나고 있다.

Figures 8과 9에는 각 개구부 조건에 대해 HRR과 압력센서 위치에서 얻어진 압력의 시간에 대한 변화를 각각 도시하였다. 기존 연구에서는 개구부 상단 모서리의 중심에서의 압력은 다양한 조건에 대한 백드래프트의 발생특성을 비교적 잘 추종하는 것으로 알려져 있다⁽¹²⁾. Figure 8과 9의결과를 비교해보면 SlotL 조건을 제외하면 HRR이 최대가 되는 순간과 백드래프트에 의한 압력이 최고인 순간은 거의 일치한다. 개구부 내의 여러 위치에 대해서 검토해 보았을 때 백드래프트 발생순간 즉, 최고압력이 발생하는 순간은 거의 동일하였다. 그림에서 최고압력이 나타나는 순간이 최고 HRR 순간보다 미소하게 빠른 것은 백드래프트 발생 순간 이후에도 구획실 바닥면 근처에서 연소반응이 지속되었기 때문이다. 앞에서 설명한 바와 같이 열발생률 최대값 크기가 백드래프트 강도를 잘 추종하지 않지만 열발생률이 최대가 되는 순간은 백드래프트의 발생순간을 잘 나타내고 있다. 다만 Slot_L의 조건인 경우에는 열발생률이 최고인 순간보다 최고압력 순간이 늦게 나타나고 있다. 이렇게 Slot_L 조건에서는 백드래프트가 발생하는 다른 개구부조건들과는 다른 경향을 보이는 점도 Slot_L 조건에서 화염이 분출되는 것이 백드래프트 현상은 아님을 나타내는 것으로 판단된다. Slot_L 조건에서 다른 조건들보다 열발생량이 작은 이유는 Figure 3에서도 설명한 바와 같이 연료와 유입 공기가 층을 이루고 잘 혼합되지 않은 점에 기인한다. 즉 개구부의 형상뿐만 아니라 개구부의 위치도 구획실 내부의 연료-공기의 혼합특성에 영향을 미치고 연소강도에 영향을 미치게 되어 결국 백드래프트의 강도에도 영향을 미치게 됨을 알 수 있다.

본 연구에서는 백드래프트 발생 순간까지의 총 열발생량과 백드래프트 강도가 밀접한 관계가 있음을 보였지만 아직 일반화 된 것을 아니라고 생각된다. 따라서, 향후 연구에서는 좀 더 다양한 개구부 조건에 대한 검토를 통해백드래프트의 특성을 좀 더 잘 표현할 수 있는 거시적인 변수에 관한 연구를 수행할 필요가 있다.

4. 결론

본 연구에서는 Door, Slot_U, Slot_M 및 Slot_L 형태의 개구부를 갖는 축소 구획실을 대상으로 개구부에서의 공기의 유입으로 인한 연료-공기 혼합특성과 백드래프트 발생특성에 대해 LES를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

점화원이 없을 경우 구획실 내부로 유입되는 산소의 양과 외부로 유출되는 연료의 양은 Door > Slot_U ~ Slot_M > Slot _L의 순서로 크다는 것을 확인하였다. 그러나 Slot_U의 경우가 구획실 내부에서 연료와 산소가 전체적으로 가장 잘 혼합되었고 Slot_L의 경우에는 연료와 산소가 층을 이루면서 혼합이 가장 잘 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 유입되는 산소량과 내부의 연료량으로 정의되는 총괄당량비는 이러한 혼합정도를 나타내는 데 한계가 있어 백드래프트의 발생 시의 최고압력 값과 잘 연관되지 않음을 확인하였다.

또한 구획실 내부의 혼합특성은 백드래프트의 강도에도 영향을 주어 백드래프트 발생 시의 구획실 내부의 최고압력은 Slot_U가 가장 높게 나타났으며 Slot_L의 경우에는 압력상승이 낮아 백드래프트가 발생하지 않았다. Door와 Slot _M의 조건들의 최고 압력값은 Slot_U 다음 순서로 나타났으며, 각 조건들에서의 최고압력은 백드래프트 발생순간까지의 총 열발생량과 잘 연관되어 설명될 수 있었다.

본 연구의 결과를 통해 구획실 내부의 메탄연료 백드래프트 전개과정에서의 압력상승 메카니즘을 잘 이해할 수 있었다. 그러나 이러한 전파과정은 구획실 내부의 국소 혼합상태와 매우 밀접한 관련이 있으며 연료의 밀도가 혼합특성에도 영향을 줄 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 헵탄과 같은 비교적 밀도가 높은 연료를 대상으로도 구획실 내부의 혼합과정에 대한 좀 더 정밀한 고찰과 이에 따른 백드래프트 발생특성을 연구할 필요가 있다. 추가적으로 총 발생열량과 백드래프트 강도와의 관계에 대해서도 좀 더일반화시킬 수 있는지 검토가 필요한 것으로 판단된다.

후기

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2017년)에 의하여 연구되었음.