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A Study of Computational Fluid Dynamics Analysis for the Water Spray Distance of Long Jet Monitor

Long Jet Monitor의 소화수 분사 거리에 대한 유동 해석적 연구

  • Jae-Sang Jo (Dept. of Mechanical IT Convergence Engineering, Korea Maritime & Ocean University)
  • 조재상 (한국해양대학교 기계IT융합공학과)
  • Received : 2023.09.07
  • Accepted : 2023.10.04
  • Published : 2023.10.31

Abstract

Currently, the sprinkler method is widely used as an initial suppression method in existing firefighting systems. However, this method can cause significant damage to both equipment and facilities in the hydration area. To minimize this damage, fire extinguishing monitors are being developed that can spray fire extinguishing water directly at the point of fire. These monitors are installed on the top floor of the ship, such as the Living Quarter and Ventilation System. While conventional fire extinguishing monitors focus on lightweight research with a short spray port and require a spray distance of about 40 to 45m, recent developments necessitate a longer spray port, similar to a water cannon, requiring a spray distance of about 70 to 75m. This study aims to predict the injection distance of both the existing ship-installed fire extinguisher and the long spray port fire extinguisher through hydrodynamic computer analysis, and to determine whether the injection distance has increased.

Keywords

1. 서 론

최근 해운시장의 경기 활성화와 더불어 컨테이너 선형의 대형화가 다시 대두되고 있다[1]. 물동량의 증가로 컨테이너선 등 선박은 최근 대형화를 통한 화물의 다량 이송에 대한 요구가 계속적으로 이루어지고 있으며, 이에 따라 선박은 현재 최대 400m 길이까지 개발된 상황이다[2]. 선박의 대형화에 따라 선박에서 발생할 수 있는 재해 중 화재 발생 시 진압을 위한 소화 시스템 또한 변화가 이루어지고 있으며, 소화장치의 분사 거리를 증가시킬 수 있는 소화 모니터 개발이 지속적으로 요구 되고 있는 상황이다. 화재가 탐지되는 즉시 해당 설치 구역에서 소화 작업이 수행되는 스프링클러 방식이 현재 대표적인 초동 진압 방식으로서 기존 소방체계에 널리 사용되고 있지만, 화재의 발달정도와 무관하게 수화 구역의 장비와 설비들 모두 큰 피해를 주는 단점을 가지고 있다[3].

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Fig. 1 Fire Fighting Monitor Operating Figure[6]

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Fig. 2 Long Jet Monitor

따라서 화재 발생 지점에 소화수를 조준 분사하여 화재가 확산되기 이전 화재를 진압함으로서 주변 장비 및 설비들의 피해를 최소화하기 위한 소화 모니터 개발이 지속되고 있으며, 이는 선박 외부의 소화 모니터는 선박거주구역(Living Quarter), 배기 시스템(Ventilation System) 등 선박의 최고층에 설치 되어 선박 상갑판(Deck House)의 모든 영역에 소화수를 분사할 수 있도록 시스템을 구성하고 있다.

소화모니터는 해외 뿐만 아니라 국내에서 화재 발생 시 화재를 진압하는 용도로 구조 안전성 연구 등에 대한 지속적인 연구가 진행되고 있으나 [4],[5], 종래의 소화모니터는 분사구가 짧은 형상의 정형화된 구조로 경량화 연구에 집중되어 있다.

종래의 소화모니터는 소화수 분사구 부분이 짧은 형상에 약 40~45m의 분사 거리가 요구되었으나 최근에는 물대포와 같이 소화수 분사구 부분이 긴 형상에 분사 거리 약 70~75m의 성능이 요구되고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 기존선박에 설치되는 소화 모니터와 다른 분사구가 긴구조의 소화모니터에 대한 분사거리를 유체역학적 전산해석을 통하여 예측하고 분사 거리를 극대화할 수 있는 물방울(Droplet) 구조의 반영을 통해 분사 거리 증가 여부에 대한 예측을 진행하였다.

2. 1차 모델(Non Droplet) 유동해석 개요

2.1 해석 모델

본 연구에서는 Fig 3과 같은 형상의 Long Jet Monitor에 소화수가 유입되었을 때 분사 패턴에 대한 유동 해석을 수행하였으며, Fig 4와 같이 폭 3m 높이 20m 길이 100m의 대기를 모델링하고 좌측 하단 부분에 Long Jet Monitor 유동장을 결합하여 입구부에 10bar의 압력으로 소화수가 분사되는 것을 모사하였다.

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Fig. 3 Long Jet Monitor 3D Model (Structure)

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Fig. 4 Long Jet Monitor 3D Model (Fluid)

해석의 대상이 되는 노즐에 유체 유입에 따른 유동 조건은 작동유체로 물의 물성치를 적용하여 수치 해석을 수행하였다. 그리고 구조물 열전달 및 열변화의 영향을 고려하지 않았기 때문에 유체 유동의 지배방정식은 연속방정식과 운동량방정식 (Navier-Stokes equation) 연산으로 수행된다. 여기서 연속방정식은 질량 보전의 법칙을, 운동량방 정식은 운동량 보전의 법칙을 만족한다.

본 연구에서는 표준    난류 모델을 주 유동 장에,    난류 모델을 벽면 근처의 경계층 영역의 해석에 사용하는 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하였다. 이 난류 모델은 기본적으로 유동 해석 프로그램인 CFX에서 제공하는 난류 모델로서 벽면 근처의 난류 경계층의 해석을 위해서 기존에 공학적으로 널리 사용되는    난류 모델대신    난류 모델을 적용하여 속도의 구배가 급격한 경계층 영역에 대한 정밀도를 높인 난류 모델이며 일반적으로    난류 모델에서 사용되는 standard wall function 대신 scalable wall function을 사용한다. 따라서 정밀한 수치해를 얻기 위해서는 경계층 영역의 속도 구배를 충분히 모사할 수 있도록 벽면 근처에 격자를 조밀하게 집중시킬 필요가 있다.

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Fig. 5 Long Jet Monitor Nozzle section model

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Fig. 6 Long Jet Monitor F.E. Model

1차 해석을 진행한 모델은 외경이 92mm이고 내 경이 60mm인 분사 노즐로 Fig 5과 같이 내부가 비 어있는 형상으로 Long Jet Monitor의 출구 측에 아 무 장치도 적용하지 않고 해석을 진행하여 Long Jet Monitor의 순수한 소화수 분사 성능을 검토하였다.

유한요소 해석에 사용된 Node 개수는 1,915,667 개, Element 개수는 2,621,420개이며 적용된 모 델은 Fig. 6에 나타내었다.

2.2 해석 결과

1차 모델에 대한 해석 결과 요구 분사 거리 75m에 못 미치는 53~70m의 분사 거리, 분사 높 이 17m를 확보하고 있는 것을 확인하였으며, Long Jet Monitor의 내부 유동 검토 결과 방사되 는 유체가 대기로 분사되는 출구 측에서 압력 손 실로 인한 유체 속도 저하가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이를 개선하기 위해 물방울 구조를 적용한 2차 모델의 설계 변경을 하고자 한다. 해 석 결과의 내부 유체 속도 및 분사 거리는 Fig. 7 과 Fig. 8에 나타내었다.

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Fig. 7 Long Jet Monitor analysis result (Velocity)

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Fig. 8 Long Jet Monitor analysis result (Non Droplet)

3. 2차 모델(Droplet) 유동해석 개요

3.1 해석 모델

1차 모델의 분사 거리 미확보의 단점을 보완하 기 위하여 Fig. 9의 물방물(Droplet) 구조를 적용 하여 Long Jet Monitor 분사 성능에 대한 검토를 진행하였다. 물방울 구조는 소화수가 분사되는 출 구 측에 적용하였으며, 적용된 모델은 Fig 10에 모델에 대한 단면을 나타내었다.

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Fig. 9 Droplet for Long Jet Monitor

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Fig. 10 Long Jet Monitor Nozzle section model (with Droplet)

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Fig. 11 Long Jet Monitor 3D Model

물방울 구조는 분사 시 출구 측 배관을 좁게 만들어 압력을 상승시키고 이에 따라 분사 거리를 증가시키는 효과를 낼 수 있을 것으로 기대된다. 해석 조건은 입구 측 10bar 압력을 적용하여 해 석을 진행하였다.

유한요소 해석에 사용된 Node 개수는 1,722,208 개, Element 개수는 2,713,329개이며 적용된 모 델은 Fig. 11에 나타내었다.

3.2 해석 결과

물방울 구조를 적용한 2차 개선 모델의 해석결과 Long jet Monitor는 1차 모델과 동일한 유 량이 입력되지만 Fig. 12와 같이 물방울 구조를 적용한 출구 측에서 좁아진 배관이 내부 유체의 압력을 상승시키고 그에 따라 유속 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

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Fig. 12 Long Jet Monitor analysis result (Velocity)

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Fig. 13 Long Jet Monitor analysis result (with Droplet)

물방울 구조 적용으로 인한 유속의 상승은 Fig 13과 같이 분사 거리는 61~80m 범위로 분 사 높이는 18m로 1차 모델과 비교하여 분사 높 이는 1m 증가하고 최대 분사 거리는 10m의 비 거리가 증가된 80m로 요구 분사 거리인 75m 이상의 분사 성능을 확보할 수 있는 것으로 확 인되었다.

4. 2차 모델 유동 패턴 분석

4.1 해석 조건

2차 모델의 최대 분사 거리는 검토하였으나, 선박의 화재 진압 범위에 따라 Long Jet Monitor의 설치가 달라져야 한다. 따라서 본 절에서는 물방 울 구조의 위치 및 분사 각도에 따라 소화수 분사 거리 및 영역에 대한 패턴 분석을 진행하였다. 물 방울 위치(Location) 및 노즐 각도(Nozzle Angle) 에 대한 설명은 Fig. 14에 나타내었다.

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Fig. 14 Droplet location and Nozzle angle description

Table. 1 Long Jet Monitor Analysis Cases

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해석 조건은 총 8개로 노즐 각도는 30도, 32도 물방울 위치는 0mm, 5mm, 10mm, 15mm로 총 8개 조건을 적용하였으며, 압력은 기존의 조건과 동일하게 10bar를 적용하였다.

4.2 해석 결과

개선 2차 모델의 물방울 위치(Location) 및 노 즐 각도(Nozzle Angle)에 따른 패턴 분석 해석결과 물방울(Droplet) 적용 시 목표 최대 거리인 75m 이상의 성능을 확보하는 것을 확인할 수 있 었다. 소화 모니터의 각도 변화에 따라 최저 분 사 거리는 일부 증가하는 패턴을 보였으나, 최대 분사 거리는 변화가 없는 것을 확인할 수 있었으 며, 물방물 위치에 따라 최대 분사 거리는 증가 하지만, 최소 분사 거리는 감소하여 전체 분사 영역이 넓어지는 현상이 발생하는 것을 파악할 수 있었다.

각 해석 Case 별 해석 결과 노즐 각도가 30도 이고 물방울 위치가 0mm일 때, 분사 거리는 61~ 80m, 5mm일 때, 분사 거리는 58~81m, 10mm 일 때, 분사 거리는 58~82m, 15mm일 때, 분사 거리는 58~82m이었으며, 노즐 각도가 32도이고 물방울 위치가 0mm일 때, 분사 거리는 62~80m, 5mm일 때, 분사 거리는 62~80m, 10mm일 때, 분사 거리는 60~82m, 15mm일 때, 분사 거리는 58~82m이었다.

분사 높이는 노즐 각도 30도일 때, 물방울 위 치와 관계없이 모두 18m이고, 각도 32도일 때 물 방울 위치와 관계없이 모두 20m이다.

해석 결과상 30도와 32도 물방울 위치 15mm 에서 최대 분사 거리와 최대 분사 영역을 나타내 므로 소화 성능의 최대치를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

Table. 2 Long Jet Monitor analysis result

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Fig. 15 Long Jet Monitor analysis result

5. 결 론

본 연구에서는 기존의 소화 모니터와 다른 형 상의 Long Jet Monitor를 대상으로 75m 이상의 분사 거리 확보 가능 여부에 대한 전산 해석적 연 구를 진행하고 다음과 같이 성과를 정리하였다.

- Long Jet Monitor는 내부 배관이 비어있는 구조 의 1차 모델에 입구 압력 10bar를 적용하여 유 동 해석적 성능 검토를 진행하였으며, 해석 결 과 요구 분사 거리 75m에 못 미치는 53~70m 의 분사 성능을 확보하는 것을 확인하였으며, 분사 거리 성능 개선을 위하여 물방울 구조를 적용한 2차 모델에 대한 해석을 진행하였다.

- 물방울 구조를 적용한 2차 모델 해석 결과 분사 거리는 61~80m 범위로 최대 80m로 요구 분사 거리인 75m 이상의 분사 성능을 확보하는 것을 확인할 수 있었다.

- 각 해석 Case 별 해석 결과 노즐 각도가 30 도일 때 분사 높이는 모두 18m이고 물방울 위치가 0mm일 때, 분사 거리는 61~80m, 5mm일 때, 분사 거리는 58~81m, 10mm일 때, 분사 거리는 58~82m, 15mm일 때, 분사 거리는 58~82m인 것을 확인할 수 있었다.

- 노즐 각도가 32도일 때 분사 높이는 모두 20m이고 물방울 위치가 0mm일 때, 분사 거리는 62~80m, 5mm일 때, 분사 거리는 62~80m, 10mm일 때, 분사 거리는 60~82m, 15mm일 때, 분사 거리는 58~82m인 것을 확인할 수 있었다.

- 2차 모델의 분사 성능 분석을 위하여 물방울 위치(Location) 및 노즐 각도(Nozzle Angle) 에 따른 패턴 분석을 진행하였으며, 해석 결 과상 30도와 32도 물방울 위치 15mm에서 최대 분사 거리와 최대 분사 영역을 나타내 므로 소화 성능의 최대치를 확보할 수 있는 것 으로 확인되었다.

본 연구 결과 Long Jet Monitor에 일반 배관 적용 시 분사 거리 확보에 어려움이 있음을 확인 하였으며, 물방울 구조를 적용 시 요구 분사 거리 인 75m 이상의 분사 성능을 확보하는 것을 확인 하였다. 향후 본 연구에서 진행된 해석 조건과 동 일한 조건의 실증 실험을 통하여 물방울 구조 적 용 여부에 따른 비교 및 물방울 구조 적용 위치에 따른 분사 성능에 대한 연구를 진행할 계획이다.

References

  1. Nam, K. C., Choi. J. R., Yoo. J. Y. and Song. Y. S., "An Analysis of User's Response to Mega Containership", Korean Institute of Navigation and Port Research, pp. 301-307, June (2016).
  2. Kim, J. H., "Studies on the Larger Ship Being Built in the Current Container Shipping Market", The Korea Port Economic Association, Vol. 21, No. 1, pp. 1-21, March (2005).
  3. Rhyu, S. S., Kim. H. T. and Seo. J. H., "Experimental Study on Spray Performance of Nozzles for Autonomous Fire Fighting Monitor", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 59, No. 2, pp. 80-88, April (2022). https://doi.org/10.3744/SNAK.2022.59.2.80
  4. Jo, J. S., Ryu. C. U., Kim. S. H. and Lee. C. K., "The structural study of fire-fighting monitor for helideck", The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 1,435-1,436, December (2020).
  5. Kim. J. S., Jo, J. S., Ryu. C.U., Lee. C. K. and Kim. S. H., "The structural study of Refueling storage Tank on Helicopter landing area", The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp. 92, December (2020).
  6. Arne Schulz-Heimbeck, "A step change in fire safety on board containerships", DNV Maritime Impact, Our expertise in stories, https://www.dnv.com/expert-story/maritime-impact/A-step-change-in-firesafety-on-board-containerships.html, (2021).