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

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.

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

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.