초고층 건축물에는 다양한 목적으로 수직 관통로가 설계되고 만들어져 있으며, 목적과 용도에 따라 그 크기와 형태도 다양하다. 대표적인 예로 엘리베이터 샤프트와 계단실이 있는데, 이들은 건물 이용자 또는 재실자의 층간 이동을 목적으로 만들어 졌지만, 건축물 내부에 화재가 발생했을 경우에는 화재로부터 발생한 독성가스가 이동하는 경로로 이용되어, 화재가 발생한 층의 재실자 뿐만 아니라 상층부에 머물러 있는 재실자의 건강과 생명까지 위협하는 상황으로 전개되는 경우가 발생한다. 이러한 사실 때문에 최근에는 초고층 건축물의 수직 관통로와 같이 제한된 공간의 내부로 화재 플룸이 유입 되었을 때, 그 움직임을 예측하는 일이 매우 의미 있게 되었다.

제한된 공간에서 부력 풀룸의 기본적인 움직임을 분석한 선행연구로써, Meroney and Yang (1971)은 단순한 육면체구조에 대한 유동 및 확산 하향류(diffusion downwind)를 풍동 측정하였고, Zukoski (1976)은 구조물 또는 구조물의 일부를 통과하는 연기의 움직임을 계산하는 몇가지 방법을 제안하였다. 이 방법들은 연소 생성물로부터 재실자를 보호하거나 연소생성물의 이동을 제한하고 소방관이 화재에 접근할 수 있도록 화재의 흐름을 변경하기 위한 방법으로 제시한 바가 있다.

수직 관통로에 대한 연구는 공간의 종횡비가 수직 방향으로 크게 차이나는 공간을 대상으로 하며, 수직 관통로와 인접한 구획에서 화재가 발생하고, 이 화재에서 발생한 플룸이 수직 관통로의 하부와 연결된 개방된 면적를 통해 유입되어 수직 확산이 진행되는 플룸의 이동 현상에 대해 분석하고 있다. Cooper (1998)는 전통적인 Zone-type의 구획 화재 모델링이 엘리베이터 샤프트나 배기 샤프트와 같이 큰 종횡비를 갖는 공간에 대한 준 안정기의 부력 기둥(quasi-steady-buoyant-plume)의 분석에 부적합함을 지적하고, 이러한 한계을 극복하기 위해 모델 방정식을 개발하였다. 한편 Kim and Jaluria (1998)는 화재에 의해 생성된 연기 및 고온 가스가 수직 관통로에서 확산하는 현상에 대한 기본 물리적 프로세스 및 메커니즘에 대해 해명하였고, Mercier and Jaluria (1999)는 열린 수직 공간의 흐름 및 열전달 현상을 축소모델을 사용하여 실험하였다. 또한 Quintiere (2002)는 성층화를 고려한 1구역 구획 기상 모델에 대해 근사수학공식을 이용하여 화재의 중요한 물리적 특징을 설명하였다. 한편 Zhang et al. (2006)은 긴 세로축의 스텍효과를 서로 다른 전산유체역학 모델을 사용해 수치 예측하고 실험에서 얻은 실험데이터와 결과를 비교하였다. Xiao et al. (2008)은 개방된 수직 샤프트에서 고온의 가스가 이동하는 문제에 대해 유동장 및 열장(thermal fields)을 지배하는 매개변수를 Grashof, Reynolds, Biot Number로 추정하고 이들에 대한 영향조사를 수행하였다. 그리고 Zhang et al. (2008)은 건물 화재 시 샤프트 공간 내부의 중립면의 위치를 예측하기 위해 샤프트의 공간을 화재 구역과 내부공간으로 나눈 모델을 제시하였고 Harish와 Venkatasubbaiah (2013)는 수직 관통로와 연결된 구획에서 발생한 화재의 성장 및 확산을 이해하기 위해 k-ε 난류모델을 사용한 Reynolds averaged Navier-Stockes (RANS)방정식과 4단계 Runge-Kutta 방법으로 구획과 샤프트, 수직으로 배열된 다중 통풍구, 천장 통풍구의 영향을 관찰하였다. Qi et al. (2014)은 환기 조건에 따라 일정한 연기 유량을 갖거나 스텍효과가 작용하고 있는 고층 샤프트에서의 연기 운동을 분석하기 위한 이론 모델을 개발하였고 멀티존에서 화재 발생시 연기 이동을 연구하기 위해 CONTAM97R을 이용한 수치적 해석과 1/3규모로 제작된 계단 샤프트의 실험을 수행(Qi et al., 2015)하였으며 수직 샤프트 내부의 연기 온도 프로파일, 유속 및 압력 분포의 결합 모델을 기반으로 온도분포 및 관련 NPL의 위치를 계산(Qi et al., 2017)하였다.

제한된 액체의 난류 부력 풀룸에 대한 연구도 몇가지 진행 되었는데, Papanicolaou (1984)은 액체의 축대칭 수직 난류 부력 제트의 인입(entrainment) 및 혼합과정과 제트에서 풀룸으로 전이(transition)되는 과정을 연구하였는데, 이를 위해 레이저 유도 형광측정장비와 레이저-도플러 속도계를 사용하여 난기류 부력 제트의 축방향과 방사방향의 속도 및 농도를 측정하였다. 또한 Papanicolaou and List (1988)는 선행연구와 동일한 장비를 사용하여 액체에서 난류 부력 제트를 측정하였는데, 난류를 차원 분석과 자기 유사성에 비례하여 평균 흐름을 예측하였고, 부력 생성 난류는 제트 난류보다 2배의 동반기류(tracer)를 운반한다는 것을 밝혔다. 그리고 Chu and Baines (1989)는 수직으로 평행한 두개의 벽 사이로 소금물을 분사하여 벽 사이로 확산되는 난류 유동을 생성하는 실험을 수행하였다.

본 연구에서는 수직 실린터 내부에서 발열원로부터 발생한 부력 플룸의 온도와 수직유속이 수직 실린터의 벽면과의 상호 작용하면서 변화하는 현상을 측정한다. 이를 위해 발열량의 변화에 대한 플룸의 온도 및 수직유속의 변화를 높이에 따라 측정하고, 이와 동시에 수직 실린터의 단면적을 변화하여 플룸의 중심에서 수직 실린더 벽면까지의 거리가 변함에 따라 플룸의 온도와 수직유속이 받는 영향을 조사한다. 실험에 사용할 발열원은 전기 열선을 사용하고, 발열량을 변화하기 위해 전기 열선에 공급되는 전압의 크기를 조절하기 위해 AC Voltage Regulator를 연결한다. 수직 실린터 내부에서 수직으로 상승하는 부력 플룸의 온도와 수직유속을 측정하기 위해 열유속계(thermos-anemometer)를 풀룸의 중심축을 따라 높이별로 설치하는데, 높은 온도구역과 낮은 온도구역으로 나누어 각 영역대에 적합한 성능의 열유속계를 설치하고 시간에 대한 변화를 측정한다.

플룸의 중심에서 수직 실린터 벽면까지의 거리를 변경하기 위해 지름이 다른 수직 실린더를 사용하고, 수직 실린더 내부에서 발생한 부력 플룸의 유동 특성과 비교하기 위해 개방공간에서 발생한 부력 풀룸의 온도와 수직유속을 측정한다. Fig. 1은 발열량의 변화에 따라 제한된 플룸의 온도와 수직유속을 측정하기 위해 구성한 실험 개략도(Schematic)이다.

기존에 수행되었던 수직 관통로 내부의 부력 플룸에 관한 연구들은 Grashof, Reynolds, Biot Number 등을 이용하여 정상상태(steady-state)에서 내부 유동장을 예측하거나, 실험을 통해 환기조건에 따른 플룸 선단의 상승속도, 온도 및 중립면의 위치 등을 관찰하였다. 그러나 본 연구에서는 수직 관통로의 형상이 변함에 따라 난류 부력 플룸이 관통로 벽면과 상호작용하여 변화되는 과정을 관찰하고, 이를 이론식과 수치해석적 결과와 비교하여 확인하고자 한다.

본 연구에서는 수직으로 관통된 실린더로 인해 제한된 발열원에 대하여, 발생한 플룸이 자연 부력으로 수직 확산하는 현상을 실험 및 수치해석적인 방법을 통해 측정하고 분석하였다. 플룸의 수직 확산 현상을 실험적으로 분석하기 위해 플룸의 수직 중심축을 따라 온도와 수직 유속을 측정하였고, 수치해석적인 방법을 통해 체적 유량을 분석하였다. 그리고 이렇게 분석된 결과값은 개방된 조건에서의 플룸 확산 이론식과 실험 및 수치해석 분석결과와 비교하고 검증하였다.

수치해석과 이론적인 예측 모두 열원 근처의 온도와 속도를 과소평가했다. 온도에 대한 이론적인 예측은 속도에 대한 예측보다 뛰어났으며, 이론에 의한 온도 예측은 우수하지만, 열원에서 상승할수록 속도 변화를 빠르게 예측하여 이론적인 예측과 다소 차이를 보였다.

샤프트 지름이 D = 1 m보다 크거나 같을 때, 두 온도 분포는 외기와 비슷했다. D ≤ 0.5 m에서 대기와의 편차가 나타나기 시작했고 온도의 경우, D = 0.5 m의 데이터도 개방 조건과 일치했다.

샤프트의 지름이 D = 0.14 m 일 때, 대기와의 편차가 온도와 속도 모두에 대해 명확하게 나타났다. 온도에 대한 FDS의 예측은 실험 데이터와 잘 일치했다. 그러나 속도에 대한 FDS의 예측은 실험 데이터에서 다소 벗어났다. FDS는 수직방향의 유속을 거의 일정한 속도로 예측하는 반면, 실험 데이터는 열원 근처에서 속도에 급격한 변화를 나타내었고 축 출구 근처에서 적당히 증가한 속도를 보였다.

본 연구를 통해 이론식에 의한 개방된 플룸의 확산 현상을 예측한 값이 실제의 측정값과 잘 일치함을 확인 하였으나, 제한된 플룸의 확산 현상을 이론식으로 예측하기 위해서는 추가의 연구가 필요할 것으로 판단되었다. 또한 이번 연구에서는 제한된 플룸의 변화를 이론과 실험 및 수치해석적인 방법으로 분석하였으며, 자연 부력에 의한 플룸이 파이프 유동으로 발달하는데 실린더의 단면적과 발열량의 크기를 중요한 영향 인자로 추론하였다. 이들 영향 인자들에 대한 관계가 정량적인 관계식으로 표현될 수 있을 것으로 추정되며, 이를 규명하기 위해 영향 인자에 대한 심층적인 후속 연구가 필요한 것으로 판단한다.