Numerical Analysis of a Railway Passenger Car Sensor Using a Simple Pyrolysis Model

원희 박; 창용 김; 성진 양

doi:10.9798/KOSHAM.2016.16.4.119

Abstract

In this study, fire simulations regarding two scenarios, a standard fire source and a large-scale fire source, were conducted for Line 1 new passenger railway car. The propagation aspect of the fire and smoke and the operational time of the fire detectors for the railway car were estimated. The combustibility of the specimen for each interior material was applied to the simulation. The results of the assessment showed that the fire detector installed inside a railway passenger car sounded the fire alarms within 60 s for both the standard and large-scale fire sources inside the car, in accordance with the design criteria. The potential for false or malfunctioning fire alarms can be minimized when four fire detectors are installed in each railway passenger car, providing a linked detection system. In addition, a fire can be effectively detected during the earliest stages using the linked system, thus contributing to swiftly alarming the passengers and allowing for a quick evacuation.

Keywords: Railway passenger car, Fire detectors, Heat/smoke movement

요지

본 연구에서는 1호선 신규 철도차량에 표준화원과 대화원 두 가지 시나리오 화원에 대하여 화재시뮬레이션을 수행하였으며 이에 따른 화재/연기의 전파 양상과 철도차량용 화재감지기의 작동시간을 예상해보았다. 각 내장재들의 시편단위 연소특성을 시뮬레이션에 적용하였다. 표준화원 및 대화원의 화재가 철도차량 내부에 발행하였을 경우 철도차량 내부에 설치된 화재감지기가 기준인 60초 이내 화재경보를 발하는 것으로 평가되었다. 고려한 차량과 같이 1량에 4개의 감지기가 설치되어 연동감지를 한다면 비화재보(오동작)을 최소화하여 화재초기에 효과적으로 화재를 감지하여 승객들의 신속한 대피경보가 가능한 것으로 판단된다.

1. 서론

철도차량 내부에는 다양한 가연성 재료가 혼재되어 있기 때문에 각 시편단위에서 평가한 난연성 결과와 실차의 화재확산 거동 사이에는 큰 차이가 존재한다. 이러한 이유로 철도차량단위에서 진행되는 화재현상을 알아보기 위해서는 실물실험을 하는 방법이 사용되기도 한다. Duck Hee Lee et al. (2015)은 새마을호 및 지하철 차량의 실물화재실험을 수행한바 있다. 하지만 실물화재 시험은 많은 비용과 시간이 소요될뿐 아니라 다양한 화재 시나리오에 대한 검토가 불가능한 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 CFD프로그램을 활용하여 화재시뮬레이션을 수행하면서 철도차량의 화재진전 현상과 다양한 화재제어(control) 도구의 적정성을 예측하는 방법이 활용될 수 있다. Won Hee Park(2014)과 W.H. Park et al. (2014)은 터널 내에 철도차량의 화재발생시 열방출율(HRR, Heat Release Rate)을 수치해석적으로 분석한 바 있다. Sung Jin Yang et al. (2015)은 지하철차량을 시뮬레이션을 통한 화재감지기 검증을 시도한 바 있다. 본 연구에서는 철도차량의 TC차, T차, M차로 형성된 10량 1편성의 차량에서 M1, M2차량이 연결된 통로 인근을 중심으로 화원을 설정하여 객차간의 화염전파 및 열·연기의 유동과 화재발생 이후 철도차량의 화재감지기 동작시간을 중점으로 화재시뮬레이션을 수행하였다.

2. 본론

2.1 지배방정식 및 화재전파모델

철도차량 내부에서 내장재에서 화재발생 및 전파를 복합적으로 해석하기 위하여 미국의 NIST에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 활용하였고 화재 현상을 K. McGrattan et al. (2015)의 다음과 같은 지배방정식으로 고려하였다.

Conservation of Mass

(1)

∂ρ∂t+u⋅∇= –ρ∇⋅u

Conservation of Species

(2)

∂ρYl∂t+u⋅∇ρYl=−ρYl∇⋅u+∇⋅ρD∇Yl+m˙l″'

Conservation of Momentum

(3)

∂ρ∂t+u×w+∇H=1ρ(ρ−ρ∞)g+f+∇⋅ τ

Divergence of Constraint

(4)

∇⋅u=1ρcpT(∇⋅k∇T+∇⋅∑l∫cp, ldTρDl∇Yl−∇⋅qr+q ̇″)+(1ρcpT−1p0)dp0dt

Equation of state

(5)

p0(t)=ρTR∑lYl/Ml

철도차량 내장재에 화재가 전파되는 현상은 재료가 에너지를 받아 연소될 수 있는 연료가스로 변화되는 열분해 과정을 통하여 진행된다. D. Lee et al. (2013)에서 열분해 모델 중 재료가 발화 온도에 도달하면 주어진 열방출율(HRR, Heat Release Rate)를 방출하는 간단한 열분해 모델을 적용하는 방법이 적용된 바 있다. 이러한 방법은 내장재의 열분해를 모사하지 않고 발화온도 도달시 표면에서 콘칼로리미터 등으로 측정된 에너지가 방출되도록 설정하였다. 특성을 모사하는 엔지니어링 선택의 방법이 될 수 있으며 철도차량과 같이 해석대상이 큰 경우에서는 열분해모델에 비하여 실험값과 근사도가 높은 방법으로 알려져 있다.

2.2 철도차량 시스템

2.2.1 철도차량

본 연구에서 고려한 전동차 1량의 크기는 (x)3.12 m, (y)19.5 m, (z)2.64 m이고, 화재가 발생한 철도차량의 인근 차량으로의 화재 열·연기 전파를 고려하기 위하여 전동차2량과 연결통로(Gang way)를 포함한 해석모델의 총 길이는 (y)39.5 m이다. Fig. 1(a)는 해석 철도차량의 내부모습이다. 의자 및 바닥, 천장, 창문, 출입문 등은 각 차량의 실제 열차의 규격을 적용하였다. Fig. 1(b)는 해석대상의 측면도이며 전체 해석 공간의 사이즈는 (x)6 m, (y)41 m, (z)4.5 m로 설정하였다. 철도차량 좌측에 설치되어 있는 출입문은 모두 닫혀 있는 것으로 고려하였다. Fig. 1(c)는 전체 해석 공간의 경계는 바닥을 제외한 전, 후, 좌, 우, 상측은 외부로 열려있는 조건으로 설정하였고 철도차량 간 연결통로 및 양끝단의 연결문도 열·연기가 인근 차량으로 전파될 수 있게 열려 있는 것으로 가정하였다.

Fig. 1

Geometry of computational domain

2.2.2 내장재

FDS 입력조건은 Thermally-thin의 특성으로 설정되었다.

해석차량의 내장재료의 재질 및 입력조건은 Table 1과 Fig. 2와 같으며 한국철도기술연구원에서 Cone Calorimeter를 이용하여 측정한 결과이다. 해석차량의 내장재 대부분이 불연재(Noncombustible) 및 단열재(Adiabatic)로 되어있으며 화재 및 연기유동에 영향이 적은 내장재는 모델링에서 제외시켰다. 그 외 가연재로 이루어진 벽과 천장, 바닥재, 의자, 연결통로 등은 Table 의 물성치로 적용되었다. 실내 벽 및 천장 재료는 알루미늄(Al)패널+세라믹페인트(Ceramic paint)로 의자재료는 울 모켓(Wool moquette)으로 제작된 시트커버와 폴리우레탄 폼(Poly Urethane Foam)의 쿠션재로 되어있으며, 시트커버와 폼재가 결합된 상태에서 Cone Calorimeter시험을 진행하였다. 차량 간의 연결통로는 실리콘루버(Silicone rubber), 바닥 재료는 합성고무(Synthetic rubber)이다.

Table 1

Combustible Material List

Interior	Material	Specimen Thickness (mm)	Ignition Temperature (°C)	Specific Heat (kJ/kg°C)	HRRPUA (Peak) (kW/m²)	Density (kg/m³)
Wall panel Ceiling panel	Ceramic Coating + Aluminum	4	513	1.84	40	1550
Seat	Wool Moquette + Poly Urethane Foam	4	450	1.38	626.30	300
Gangway	Silicone rubber	560	1.30	56.80	1250
Flooring	Synthetic rubber	3	448	1.30	137	1740

Fig. 2

Combustible Material HRR Ramp

2.2.3 화재감지기

본 연구에서 고려하는 철도차량 내부에는 Fig. 3과 같은 열과 연기를 복합적으로 감지할 수 있는열·연기 복합형감지기가 설치되어 있으며, 열감지기는 화재감지온도 및 반응시간지수(RTI, Response Time Index)를 설정함으로써 감지기의 민감도를 설정하였다. Sung Jin Yang et al. (2015) 연기감지기의 경우는 광전식1종으로 거리당 시계값(Obscuration, %/m) 과 K. McGrattan et al. (2015)의 연기감지기 설정 값을 참조하였다. 실제 설치되는 감지기의 성능을 적용하였으며 Table 2와 같다. 연기감지시간에 영향을 미치는 Soot yield값은 FDS의 기본값인 0.01을 사용하였다. 감지기는 Fig. 4과 같이 철도차량 1량 천장부 중심에 각 4개씩 설치가 된다. 철도차량 내에 설치되는 화재감지기는 진동, 먼지 등으로 인하여 비화재보(오동작)를 최소화하는 축적모드로 작동되는 상황을 모사했으며, 작동원리는 다음과 같다.

Fig. 3

Heat & Smoke Detectors

Fig. 4

Detectors Group and Position of fire source

Table 2

Detectors set value

Detectors	Model	Activation	FDS set
Smoke	PHOTO-ELECTRIC TYPE 1	15 %/m	α_e 1.8, β_e −1.0, α_c 1.0, β_c −0.8
Heat	SEMI-CONDUCTOR TYPE 2	65°C	RTI, 100(m/s)^l/2

- 축적모드: 최초 화재감지 신호 입력 후 다음 주기까지 화재감지 신호를 축적한다. 다음 주기내에 화재감지 신호가 입력되면 화재감지로 처리하며 신호가 입력되지 않으면 축적모드를 해지한다. - 화재감지: 1차 감지가 되고, 축적모드 상태에서 다음 주기 내에 화재신호가 감지되면 1개 감지기 작동으로 처리한다. Fig. 4의 동일 Group의 2개의 감지기가 모두 작동되면 화재로 통보한다.

2.3 고려 화원

철도차량 화재시뮬레이션에서 화원의 위치를 정하는 원칙은 화원의 인접한 가연물이 많아 인근으로 화재확산의 가능성이 가장 높은 위치를 선택한다. 따라서 연결통로 인근 의자 2자리와 앞바닥(0.908 m²)에 화재가 발생한 조건으로 설정하였으며 Fig. 4의 Fire source로 표기하였다. 화원의 열방출율은 ‘철도터널의 화재안전성 평가 매뉴얼’에 제시된 Fig. 5의 곡선을 가지는 표준화원(Standard fire source)과 대화원(Large fire source) 시나리오를 고려하여 2가지 화재발화 상황에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 5

fire source

3. 수치해석 및 결과

3.1 격자민감도

격자크기의 결정할 때 부력에 의한 플룸을 해석하는 경우 화재특성지름을 활용할 수 있으며 Eq. (7)와 같다.

(7)

D*=(Q˙ ρ∞CpT∞g)25

여기서 D*는 화재특성지름(Characteristic fire diameter)이며, Q˙, ρ, C, T, g는 총 발열량, 비중, 비열, 상온이다. δx는 해석격자 사이즈다. D*/δx은 크기는 화재특성지름에 길이 방향으로 몇 개의 격자가 들어갈 것인지를 나타낸다. D*에 더 많은 수의 격자가 할당 될수록 계산에 더 높은 해상도를 반영한다. U.S.NRC(2007)에서 격자에 대하여 언급되어 있는데 적당한 D*/δx값은 4~16이다. 본 계산에서 Q˙=250 kJ/s, ρ=1.16 kg/m³ C=1.007 kJ/kgK T=300 K, g=9.81 m/s²의 경우 D*=0.553 m이다. 격자민감도를 검토하기 위하여 Table 3과 같이 0.08, 0.1, 0.2 m의 격자를 고려하였다. 대화원일 경우를 고려하였으며 이에 대한 D*/δx 계산 값을 Table 3에서 보여주고 있다.

Table 3

Sensitivity to Grid Size

Case	Grid size(m)	Grid(ea)	D^/S*
1	0.2×0.2×0.2	123,000	2.77
2	0.1×0.1×0.1	1,107,000	5.53
3	0.08×0.08×0.08	1,912,896	6.91

고려한 격자의 경우 모두 참고문헌 U.S.NRC(2007)에서 제시한 범주에 들고 있다. 화재해석 결과 중 가장 중요한 열방출율과 Fig. 7의 주요 위치에서 측정한 온도를 각 격자에 대하여 계산한 결과를 Fig. 6, Fig. 8에서 보여주고 있다. 열방출율은 모든 격자가 비슷한 값을 나타내고 있으며, 주요위치의 온도는 화원부 천장 T1-3과 화원 앞 복도 중심부 천장 T2-3의 온도를 비교하였다. T1-3의 평균 온도는 각 격자 529.92°C, 523.59°C, 773.04°C이며, T2-3의 평균온도는 709.35°C, 736.54°C, 643.41°C로 나타났다. 0.2 m의 격자를 제외하고 0.08 m, 0.1 m 격자크기에서는 비슷한 온도를 보여주고 있다. 따라서 본 연구에서 모든 해석 결과는 0.1 m의 격자를 사용하여 평가 하였다. Fig. 9는 계산에 활용한 격자의 모습이다.

Fig. 6

Heat release rate for various mesh sizes

Fig. 7

Temperature point

Fig. 8

Temperature for various mesh sizes

Fig. 9

Grid systems

3.2 해석결과

3.2.1 표준화원 화재/연기 해석결과

철도차량에 표준화원의 화재가 발생했을 경우에 해석하여 얻은 열방출율 곡선은 Fig. 10과 같다. 또한 최대 열방출율을 보이는 시점에서의 화염의 전파는 Fig. 11과 같다. 표준화원의 열방출율 곡선과 같은 선형으로 열방출율이 증가하고 있으며, 150초에 등받이로 화염이 확산되었으며, 열방출율은270 kW/m²까지 상승했으나 다시 180 kW/m²를 일정하게 유지하였고, 600초에 240 kW/m², 780초에 320 kW/m², 900초에 350 kW/m²의 설정화원의 열방출율을 크게 벗어나지 않는 수치를 나타냈다.

Fig. 10

Heat release rate for standard fire source

Fig. 11

Flame at maximum HRR(standard fire)

150초에 화원근처의 등받이로 화염이 확산되었지만 더 크게 확산되지 않고 화원의 설정된 열방출율이 종료되면서 자소되었다. Fig. 12는 각 시간대별 연기의 전파상황을 보여주고 있다. 각 차량에 설치된 화재감지기의 개별 화재감지시간 및 연동 화재감지시간은 Table 4에 작성하였으며, 이를 Fig. 13으로 그림으로 표현하였다. 본 평가는 각 차량내부의 Group으로 이루어진 2개의 화재감지기가 화재신호를 발할 때 화재로 인지하는 조건을 가정하였다. 화원위치에서 가장 인접한 4번 감지기가 6초에 연기를 최초 감지하였으며, 3번 감지기 57초에 감지하여 Group_03의 감지기가 연동되어 최초 화재신호를 57초에 발신하였다. 이후에 발화위치에서 인접한 순으로 Group_02는 86초, Group_01은 104초, 2번차량의 Group_04은 200초, Group_05은 206초, Group_06은 228초에 화재가 감지되었다. 열감지기의 경우 화원에서 가장 인접한 4번 감지기가 66초에 작동, 3번 감지기 183초에 작동한다.

Fig. 12

Smoke movement for standard fire source

Table 4

Detection time for standard fire source

Detectors	Operation time(s)
Detectors	Heat	Smoke	Group
1	290	104
2	198	86	01	104
3	183	57	02	86
4	66	6	03	57
5	269	147
6	846	200	0-1	200
7	-	206	05	206
8	-	228	06	228
8	-	228

Fig. 13

Detection time (standard fire)

3.2.2 대화원 시나리오 해석결과

고려 대상인 철도차량 내부에 휘발류 방화와 같은 급속한 성장속도를 가진 대화원 시나리오를 적용하였을 경우에 계산된 열방출율 곡선을 Fig. 14에 보여주고 있다. 또한 최대 열방출율을 보이는 시점에서의 화재의 전파상황을 Fig. 15에서 볼 수 있다. 발화 후 5초 이후에 등받이, 벽면, 천장, 인근바닥으로 빠르게 화염이 확산하면서 42초 동안 2787 kW/m²까지 열방출율이 급격하게 상승하였다. 인근 벽채와 천장의 표면 페인트가 일부 연소되고 42초에 의자 뒤 쪽 창문이 파괴되었다.

Fig. 14

Heat release rate for large fire source

Fig. 15

Flame at maximum HRR(large fire)

설정된 화원의 연소가 종료되면서 더 이상 확산 되지 않고 93초에 144 kW/m²까지 열방출율이 떨어졌으며, 화원위치의 의자만 천천히 자소되었다.

각 시간대별 연기의 전파상황을 Fig. 16에 그림으로 표현하였다. 각 차량에 설치된 화재감지기의 개별 화재감지시간 및 연동 화재감지시간은 Table 5에 작성하였으며, 이를 Fig. 17으로 그림으로 표현하였다. 감지기 작동은 표준화원과 동일한 조건에서 작동한다. 화원위치에서 가장 인접한 4번 감지기가 5초에 연기를 최초 감지하였으며, 3번 감지기 12초에 감지하여 Group_03의 감지기가 연동되어 최초 화재신호를 12초에 발신하였다. 이후에 화원에서 인접한 순으로 Group_02는 15초, Group_01은 -18초, 옆 차량인 Group_04는 33초, Group_05는 36초, Group_06은 48초에 화재가 감지되었다. 열감지기의 경우 화원에서 가장 인접한 4번 감지기가 12초에 작동, 3번 감지기 29초에 작동하므로 표준화원과 대화원 시나리오 모두 열감지가 연기감지의 시간에 비해 약 2.5배~3배 늦은 작동을 보여주고 있다.

Fig. 16

Smoke movement for large fire source

Table 5

Detection time for large fire source

Detectors	Detection time(s)
Detectors	Heat	Smoke	Group
1	45	18
2	30	15	01	18
3	29	12	02	15
4	15	5	03	12
5	42	18
6	89	33	04	33
7	117	36	05	36
8	-	48	06	48
8	-	48

Fig. 17

Detection time (large fire)

4. 결론

본 연구에서는 1호선 신규 철도차량의 표준화원과 대화원 두가지 시나리오 화원에 대하여 화재시뮬레이션을 수행하였으며 이에 따른 화재/연기의 전파 양상과 철도차량용 화재감지기의 작동시간을 예상해보았다. 고려한 표준화원 및 대화원 모두 철도차량 내부에 화재가 모두 전파하여 소진하는 전역화재로 발전하지 않았는데, 이러한 이유는 화재확산의 주요 요인이 될 수 있는 벽, 천장의 마감재가 페인트로 코팅되어 있지만 불연재인 알루미늄 패널로 이루어져 있어 방출되는 열량이 적고, 의자와 바닥을 제외한 대부분의 철도차량 내장재들이 불연재로 이루어져 있어 화재확산이 어려웠기 때문이다. 의자의 경우 울커버와 폴리우레탄폼쿠션의 가연성이 가장커서 화재확산의 매개체가 될 여지가 있지만 의자의 간격이 충분히 이격되어 있어 반대편 의자와 바닥의 합성고무가 발화하기에는 발열량이 충분하지 않은 것으로 분석된다.

대화원의 경우 화원의 규모가 표준화원 보다 크므로 보다 빨리 감지되는 것을 알 수 있다. 또한 연기감지기가 열감지기보다 화재에 더 민감하게 반응하였다. 표준화원 및 대화원의 화재가 철도차량 내부에 발행하였을 경우 철도차량 내부에 설치된 화재감지기가 기준인 60초 이내 화재경보를 발하는 것으로 평가되었다. 고려한 차량과 같이 1량에 4개의 감지기가 설치되어 연동감지를 한다면 비화재보(오동작)을 최소화하여 화재초기에 효과적으로 화재를 감지하여 승객들의 신속한 대피경보가 가능한 것으로 판단된다.