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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(4); 2016 > Article
수치해석을 이용한 유리커튼월용 수막노즐 개발

Abstract

Vertical fire propagate through a broken building’s glass curtain wall system poses a serious threat to occupant and property. To prevent curtain wall system, using a water film is effectively. Thus, spray hole of glass side is added at existing water curtain nozzle for forming water film. In this study, numerical analysis is performed for obtain flow characteristics along area of pray hole to design goals which are water film over than 1 mm and unprotected area at curtainwall system. As a result, the flow rate decrease 1% according to area of spray hole of glass side decrease 1%. Therefore, flow characteristics of design goal could be archive area of spay hole of glass side is 32 mm2.

요지

유리커튼월을 사용하는 건축물은 화재시 유리재가 파손되며 수직화재 전파가 발생 하므로 파손을 방지하는 것이 중요하다. 파손을 방지하기 위해서는 유리외장재에 수막을 형성하는 것이 매우 효과적이다. 따라서 수막을 형성하기 위하여 기존 워터커튼 노즐에 수막 형성을 위한 유리면 살수부를 추가 하였으며 수치해석을 통해 설계 목표에 부합하는 커튼월 노즐을 설계하고자 유리면 살수부 넓이에 따른 유동 특성을 분석하였다. 설계 목표는 커튼월 시스템에 1 mm 이상의 수막과 비보호면이 발생하지 않는 유동특성을 가지는 노즐 형상이다. 그 결과 유리면 살수부의 넓이가 1% 감소 할 때 유리면 살수부의 유량이 1% 감소하였으며 이러한 유리면 살수부 면적과 유량의 관계를 고려하였을 때 유리면 살수부의 넓이가 32 mm2일 때 목표한 유동 특성을 확보할 수 있을 것으로 판단되었다.

1. 서론

초고층 건축물이란, 건축물 시행령 제2조(용어의 정의)에서 ‘건축물의 높이가 200 m 이상 또는 건축물의 층수가 50층 이상의 건축물’로 정의하고 있다. 초고층 건축물은 대형화, 고층화, 지하시설 활용 들을 통해 공간 효율을 증가 하였으나 화재시 수직적 구조로 인해 지상으로 피난거리 증가, 소방대원진입의 어려움으로 인하여 대형사고 발생 가능성이 높다(Kim et al., 2003; Son and Yi, 2004).
특히 초고층 건축물에는 외장재로 주로 커튼월 구조가 적용되고 있으며 유리커튼월 시장은 매년 약 20% 이상의 증가율을 보이고 있다(Jeon, 2012). 커튼월(Curtain wall)이란 하중을 지지하지 않는 외장용 건축 벽체를 총칭하며(Cho et al., 2010) 유리를 외장재로 사용하는 유리커튼월이 현재 많이 사용되고 있다.
하지만 화재 발생 시 하층부의 유리커튼월이 파손되어 화염이 건물 외측으로 분출되며 이에 따라 상층부의 커튼월이 파손되어 상층부로 화재가 전파되는 Leapfrog effect가 발생되어 피해가 빠르게 확산되는 문제점이 있다(Rogan, 2010).
따라서 유리외장재의 파손을 방지 하는 것이 화재 확산을 방지함에 있어 매우 중요하다. 이에 따라 많은 연구가 유리외장재 파손을 방지하기 위해 수행되었다. Table 1은 유리외장재의 파손에 대한 실험 연구의 주요 내용을 정리한 것으로 유리커튼월의 파손은 프레임과 유리의 온도차임을 보여주고있다. 기존 실험에 의하면 유리 외장재의 파손은 상층부의 모서리 부분에서 파손이 시작된다. 파손이 시작되는 부분에서 프레임의 화염 노출면과 비화재측의 유리의 온도차는 실험 1과 실험 3과 같이 일반 판유리의 경우 약 120~210°C 강화 유리의 경우 두께가 6 mm일 경우 330~380°C 10 mm 경우470~590°C에서 파손이 시작되는 것을 알 수 있다(Shields et al., 2002; Shields et al., 2005; Xie et al., 2008).
Table 1
Critical Temperature of Glass Curtainwall Failure
Expl Exp2 Exp3
Glass Double 6 mm Double 6,10 mm Single 6 mm
Enclosure ISO 9705 ISO 9705 ISO 9705
Crack position Upper Glass Upper Glass Upper Glass
Crack initiate temperature (°C) 120~210 330~380 470~590 120~210
따라서 화재시 유리커튼월의 온도를 제어하는 것은 매우 중요하다. WU et al. (2007) 는 실험을 통해 유리 커튼월 유리외장재에 수막을 형성 하는 것이 기존의 Closed-pendent 형식의 스프링클러를 사용하는 것보다 약 1/3의 유량으로 약100°C로 유지할 수 있어 수막을 형성 하는 것이 열 차단 성능이 기존 스프링클러보다 더욱 뛰어남을 보여주었다. 또한 Shao et al. (2014)은 실험을 통해 급냉 유리표면에 0.503 mm이상의 수막을 형성하면 90% 이상 열차단이 되는 것을 보였다. 또한 Sung (2015)은 수치해석을 통해 이중유리를 가지는 유리커튼월에서 2 mm의 수막이 화재로부터 복사와 대류에 의한 열전달을 약 98% 차단함을 보여주었다.
또한 기존의 스프링클러 시스템을 사용시 원뿔 형태로 살수가 되며 Fig. 1의 그림과 같이 커튼월 상부에 비보호면이 발생하여 열차단에 문제가 발생할 것으로 판단된다. 그러므로 수막을 형성하는 것이 초고층 건축물 등에서 화재시 적은 수량으로 유리커튼월 전체의 온도제어가 가능한 이점이 있을 것으로 판단되나 현재 유리커튼월용 노즐 개발은 미비하다.
Fig. 1
Water Film System for Curtain wall System
KOSHAM_16_04_137_fig_1.gif
따라서 본 연구에서는 화재 발생 시 유리커튼월의 파손 방지를 위한 노즐 개발을 위해 기존 ㈜파라텍의 워터커튼 노즐에 유리면 살수부를 추가한 커튼월용 수막 노즐을 개발하기 위하여 수치해석을 통해 유동 특성을 분석하였다.
Fig. 1은 본 연구에서 개발할 커튼월 노즐 시스템의 개요도이다. 커튼월 노즐 시스템은 화재로부터 커튼월로의 열차단을 위한 수막과 내부 화재 성장 억제를 위한 워터커튼 부로 이루어져 있다. 따라서 수막과 워터커튼을 동시에 형성하기 위해서 기존 워터 커튼 노즐의 앞면에 유리면 살수부를 추가 하였다.
설계 목표는 유리면 살수부와 내측 살수부로 크게 두 가지로 구분된다. 첫째로 실제 현장에서 많이 사용되는 폭 2 m 높이 2.4 m 유리 표면위에 90% 이상 열차단을 위한 수막형성이 가능한 노즐의 형상이다. 이를 위해서는 유리면위에 0.5 mm이상 수막을 형성 해야 하며 본 연구에서는 1 mm 이상으로 설정하였다. 수막의 평균 속도를 0.645 m/s로 가정하면 (Shao et al., 2014) 폭 2 m중 실제 필요한 방호반경이 1 m이므로 1 mm 이상의 수막을 형성하면 유리면 살수부 살수 유량은19.35 L/min이 필요하다. 둘째 내측 살수부는 Fig. 1과 같이 비보호면이 발생하지 않는 유동 특성을 가지는 노즐 형상이다. 비보호면이 발생 하지 않는 살수특성은 1 m 이상의 살수반경과 120°이상의 살수각도가 필요할 것으로 판단된다. 1 m이상 살수 반경을 확보하려면 유속은 공기에 의한 저항이 없다고 가정 할 때 5.26 m/s 이상이 필요 할 것으로 계산되며 따라서 내측 살수부 최소 유량은 25.03 L/min 이상이 필요하다.

2. 수치해석 방법 및 조건

2.1 지배방정식

해석은 범용 유체 해석 프로그램인 Fluent V14.5를 사용하였으며, 해석의 정확도 향상을 위해서 지배 방정식에 대해 2차 이산화 방법을 이용하였으며 비정상(Unsteady) 상태 해석에 적합한 PISO알고리즘을 사용하였다. 난류모델은 표준 k-ε모델을 사용하였다. 수치해석은 노즐의 물과 공기의 유동해석을 위해서 VOF(Volume of fluid) 모델을 적용하여 수행하였으며 이 모델은 각 격자에서 물과 공기의 분률을 수송방정식을 풀어 결정한다. 유동 해석을 위해서는 기본적으로 연속 방정식 및 운동량 방정식이 이용되며 이는 Eq. (1)과 Eq. (2)와 같으며 자세한 사항은 참고문헌에서 찾을 수 있다(Sung, 2015).
(1)
ρt+(ρv)=0
(2)
t(ρv)+(ρvv)=p+(τ˜˜)

2.2 수치해석 방법

물의 밀도는 998.2 kg/m3을 적용하였으며 공기의 밀도는 1.225 kg/m3을 적용하였다.
수치해석은 Table 2와 같이 총 4 case를 수행 하였다. Case1은 초기 커튼월 노즐1이며 Case 1에서 Case 2는 유리면 살수부와 내측 살수부 형상을 바꾸었다. Case 2,3 그리고 4는 커튼월 노즐 2,3,4이다. Case 2부터 Case 4까지는 유리면 분사 유량을 조절하기 위해 유리면 살수부 앞단의 크기를 조절하였다. 자세한 노즐의 형상과 형상 변형에 관한 내용은 결과에 자세히 설명되어 있다. 모든 Case에서 격자는 Tetra 로 구성되어 있으며 격자수는 격자 독립성 시험을 통해 선정하였다. 해석영역은 노즐로부터 x, y, z 축으로 2 m 확장하여 설정하였으며 해석은 비정상상태로 유동이 안정화 될 때까지 총 1초를 수행하였다.
Table 2
Number of Grid.
Cases Area of glass spray hole (mm2) Number of grid cells
1 80.3 1940000
2 48.44 1950000
3 21 1950000
4 9.6 1950000

2.3 경계조건

경계조건은 Fig. 2와 같이 설정하였다. (1) Inlet은 물이 25 L/min으로 Symmetric해석에 의해 노즐 목표 유량인 50 L/min의 반을 적용하였다. (2)는 Outlet 으로 대기압을 가정하여 Pressure outlet 0 Pa을 적용하였다. (3)는 Symmetric 조건으로 해석시간 향상을 위해 적용하였다. (4)는 노즐 벽으로 Noslip벽을 적용하였으며 (5)는 초기 물분률 조건으로 해석시간단축을 위하여 Patch를 통해 초기 물 분률을 1로 설정하였다.
Fig. 2
Bounday Conditions
KOSHAM_16_04_137_fig_2.gif

3. 결과 및 고찰

3.1 커튼월 노즐 1 유동 특성 분석

유리커튼월 파손방지를 위한 노즐 개발을 위하여 Fig. 3과같이 커튼월용 노즐을 개발하였다. 유리면 살수부는 커튼월에 열차단을 위한 수막을 형성 하며 내측살수부는 실내 내부 화재 성장 억제를 위한 워터커튼을 형성한다. 노즐의 작동유량은 50 L/min이며 가공의 편의성과 내측 살수를 위하여 내측살수부에 약 15°의 경사를 주어 설계하였다. 노즐 전단의 넓이는 79.33 mm2이며 유리면 살수부의 넓이는 80.3 mm2이다.
Fig. 4는 커튼월 노즐 1의 유동특성이다. Fig. 4(a)Fig.4(b)는 유선으로 Fig. 4(a)에서 확인할 수 있듯이 유동은 물이 노즐로 입사되면서 토출되기 전까지 시계 반대방향으로 회전하는 와류를 가지며 토출된 후 유리면 살수부로 대부분의 유동이 직선으로 분사되고 일부분이 내측 살수부 방향으로 분사되는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 4(b)에서 확인할 수 있듯이 내측 살수부 유동은 약 126.5°의 각도를 가지고 분사되는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 4(c)는 속도분포로 유리면 살수부의 바닥면에서 높은 속도를 보이며 이를 바탕으로 유리면 살수부와 내측 살수부의 토출 유량을 계산하면 유리면 살수부로 33.92 L/min이 분사되고 내측 살수부로 16.11 L/min가 분사된다. 따라서 전체 물 유량의 약 68%가 유리면 살수부로 분사되어 내측 살수 유량이 설계 목표인 25.03 L/min 보다 부족할 것으로 판단되었다.
Fig. 3
Geometry of Curtainwall Nozzle 1
KOSHAM_16_04_137_fig_3.gif
Fig. 4
Flow Characteristics of Curtainwall Nozzle 1
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따라서 유리면 살수부의 면적을 축소하는 것이 필요하다고 판단되어 유리면 살수부 면적을 단계적으로 축소하여 커튼월노즐 2부터 4까지 설계 하여 유동을 분석 하였다.

3.2 커튼월 노즐 2,3,4 조건 및 형상

유리커튼월 노즐 1의 결과를 바탕으로 내측 살수량을 증가하기 위하여 유리면 살수부 넓이를 단계적으로 축소하여 유리커튼월 노즐 2, 3, 4를 설계 하였다. Fig. 5(a), Fig. 5(b) 그리고 Fig. 5(c)는 커튼월 노즐 커튼월 노즐 2, 3, 4 의 형상으로 기존 커튼월 노즐 1의 유리면 살수부넓이 80.3 mm2에서 유리면살수부의 넓이를 48.44 mm2, 21 mm2, 9.6 mm2으로 축소하였다.
Fig. 5
Geometry of Curtainwall Nozzle 2, 3 and 4
KOSHAM_16_04_137_fig_5.gif
Fig. 6은 노즐 2,3,4의 유동 특성 및 유선이다. Fig. 6(a), Fig. 6(b) 그리고 Fig. 6(c)은 정면 시점으로 모든 노즐에서 약 126.5°의 각도로 일정하게 분사되어 적절한 각도를 가지고 분사됨을 확인할 수 있다. Fig. 6(d), Fig. 6(e), Fig. 6(f)는 측면에서 본 유선으로 모든 노즐에서 노즐 양 끝 부분에 유동이 집중되고 회전하며 분사된다. 이러한 유동은 노즐 내에서 유동이 바닥면에 부딪히면서 시계 방향으로 회전하고 분지부에서 유리면 살수부에 부딪히면서 노즐 전단으로 노즐내의 회전유동의 운동에너지를 가지고 분사되며 유리면 살수부에서 좁아진 부분을 통과할 때 유리면 살수부에 부딪힌 유동이 내측 살수부로 분사되며 발생한다.
Fig. 6
Streamline of Curtainwall Nozzle 2,3 and 4
KOSHAM_16_04_137_fig_6.gif
Fig. 7은 노즐 2,3,4의 속도 분포이다. 유리면 살수부의 넓이가 축소되면서 유리면 살수부 내의 평균 속도는 8.2 m/s, 7.3 m/s, 5.9 m/s 로 감소한다. 또한 유리면 살수부와 내측 살수부 유량은 Fig. 7(a)과 같이 커튼월 노즐 2는 유리면 살수부로 18.86 L/min 내측 살수부로 31.14 L/min으로 분사되어 설계 목표인 내측 살수부 유량 25.03 L/min 보다 많은 유량으로 설계 목표에 부합하는 것으로 판단되었다. 또한 Fig. 7(b)Fig. 7(c)의 유리면 살수부와 내측 살수부의 분사 유량과 유리면 살수부 넓이의 관계를 분석하면 유리면 살수부 넓이가 커튼월 노즐 1에서 2로 41%, 커튼월 노즐 2에서 3으로 57% 감소하고 3에서 4로 54% 감소하였을 때 유리면 살수부 유량은45%, 63% 그리고 67% 감소하였다.
Fig. 7
Velocity Contour and Flow Rate of Curtainwall Nozzle 2,3 and 4
KOSHAM_16_04_137_fig_7.gif
따라서 실제 사용될 유량 범위에서는 커튼월 노즐 1을 기준으로 유리면 살수부의 넓이가 약 1% 감소 할 때 유리면 살수부 분사 유량도 1% 감소하는 관계를 도출해 내었다.

4. 결론

본 연구는 화재시 유리커튼월 파손방지를 위해서 기존 커튼월 노즐의 유리면 살수부 넓이와 형상을 개량하여 형상에 따른 유동특성을 수치해석을 통해 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 내측 살수부의 살수 각도는 유리면 살수부의 면적에 영향을 받지 않고 126.5°로 일정 하고 유리면 살수부 면적이 감소할 때 더 많은 유동이 부딪혀 내측 살수부로 분사된다. 따라서 유리 커튼월 상부까지 방호 하고 비보호면이 발생하지 않을 것으로 판단된다.
둘째, 따라서 설계목표인 25 L/min의 내측살수부 유량을 위해서는 유리면 살수부의 넓이가 약 32 mm2으로 노즐 전단 넓이의 약 40%일 때 목표한 유동특성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 유리면 살수부 넓이가 1% 감소 할 때 내측살수부 유량이 1% 증가하며 향후 유리면 살수부 면적과 유량의 관계는 실제 분사시 액적이 유리면에 충돌하여 유리면과 상호작용에 의해 불규칙한 수막이 형성될 것으로 예상되며 따라서 이를 보완할 추가적인 유량이 필요 할 때 이러한 유리면 살수부 면적과 유량의 관계를 고려하여 설계에 반영 할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 소방방재청 차세대핵심소방안전기술개발사업(NEMA-차세대-2014-46)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

References

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