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FDS는 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 수치 해석을 수행하는 CFD 프로그램으로 열과 연기의 흐름을 잘 표현하고 분석하여 현장에서 많이 사용되어진다. Navier-Stokes 방정식은 식(1)과 같다(McGrattan and Forney, 2004).

여기서, u : 속도, f : 단위체적당 걸리는 외력, ρ : 밀도, p : 압력, ν : 점성계수이다.

온도 및 가시거리 측정은 FDS를 이용하여 유효피난시간을 분석한다. 선박에만 적용되는 기준이 없기 때문에 육상에 적용되는 소방방재청고시 제2014-31호 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준의 별표(1)의 내용을 기준값으로 설정하였다(Rie and Lew, 2003). 온도 측정방법은 FPA방법을 사용하며 식(2)와 같다(KINS 2008).

여기서, ΔT_g : 고온 기체층 온도상승 (Tg-Ta) [K], T_a : 주위온도 [K], Q˙ : 화재의 열방출율 [kW], m˙ : 강제 환기 유량 [kg/s], C_p : 비열 [kJ/kg K], h_k : 열전달 계수 [kW/m²], A_T : 공간내의 총 면적 [m²]이다.

실제 한바다호의 도면을 이용하여 3차원 모델(.dxf)을 제작하였다. FDS를 사용하여 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 DXF2FDS 프로그램을 이용하여 FDS 전용 파일로 다시 변환하였다. 화재 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 화재공간의 재질, 화재의 크기 및 화재장소 등과 같은 다양한 조건과 변수가 필요하다. 화재분석에 있어서 방화문 및 제연경계벽은 복도에 설치되기 때문에 한바다호에 실습생들이 탈출에 이용하는 복도를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 화재시뮬레이션을 위한 복도 구조는 <Table 2>와 같다.

화재 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 화재공간의 재질, 화재의 크기 및 화재장소 등과 같은 다양한 조건과 변수가 필요하다. 이 시뮬레이션을 위한 물리적 조건은 <Table 3>과 같이 거주구역에서 가장 많이 발생할 수 있는 목재를 화원으로 설정하였다.

온도 및 가시거리 측정점은 [Fig. 2]에서 보는 바와 같이 기준점으로부터 x축은 복도의 중간점인 0.6m, y축은 학생들의 피난 완료 지점인 복도 끝단 35m 그리고 z축은 일반적인 사람의 호흡 위치인 1.5 ~ 1.8m로 설정하나 본 연구에서는 안전을 고려한 1.8m로 하였다. 이때, 화재 시뮬레이션은 방화문이 열려 있는 상황과 제연경계벽의 길이가 각각 20cm, 30cm, 40cm일 경우로 다양하게 구분하여 수행하였으며 간격은 10m이다. 여기서 제연경계벽의 길이는 천정에서 내려오는 길이를 말한다.

[Fig. 2] 
Measuring point of temperature & visibility.

본 연구에서 정한 물리적 한경 속에서 화재 시뮬레이션을 수행한 결과, <Table 4>에서 보는 바와 같이 모든 시뮬레이션에서 대피허용온도 60°C를 초과하지 않는 것으로 확인되었다. 온도 감소율은 제연경계벽의 길이가 20cm일 경우는 차이가 없었다. 그러나 30cm일 경우는 제연경계벽이 없는 경우에 비해 2.2℃가 감소하여 온도 감소율이 6.6% 향상되었다. 또한, 40cm일 경우는 6.3℃가 감소하여 18.9%가 향상되었으나 제연경계벽이 온도 상승률 제어에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 확인되었다.

<Table 5>에서 보는 바와 같이 가시거리는 5m 이상을 모든 시뮬레이션에서 만족하는 것으로 나타났다. 특히, 제연경계벽의 길이가 30cm 이상인 경우는 FDS의 최대 측정 거리인 30m를 유지하였다. 가시거리 감소율 측정 결과 제연경계벽의 길이가 20cm인 경우에는 제연경계벽이 없는 경우에 비해 가시거리가 13.5m에서 21.2m로 57.0%가 향상되었다. 특히, 30cm 이상일 경우는 연기로 인한 가시거리의 감소가 없는 것으로 나타났다.

[Fig. 3]은 복도에 방화문이 없는 경우 온도 상승 및 연기 이동 정도를 나타낸 것이다.

[Fig. 3] 
Temperature distribution without draft curtain.

본 연구는 방화문과 제연경계벽이 화재 발생 시 연기와 온도 변화를 비교분석하는 것으로 그 영향이 가장 큰 40cm의 제연경계벽과 비교하고자 한다. 이때, [Fig. 4]는 제연경계벽이 40cm 설치된 상황의 시뮬레이션으로 온도 상승 및 연기 이동 정도를 알 수 있다. 특히, 측정점인 피난구 방향은 온도 상승 및 연기가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.

[Fig. 4] 
Temperature distribution with 40cm length draft curtain.

[Fig. 5]는 방화문이 개방된 상황의 매연농도 및 연기 이동을 나타낸 것이다.

[Fig. 5] 
Visibility distribution without draft curtain.

[Fig. 6]은 40cm의 제연경계벽이 설치된 상황의 연기 이동 정도를 나타낸 것으로 측정점인 피난구 방향은 연기가 거의 없음을 확인할 수 있다.

[Fig. 6] 
Visibility distribution with 40cm length draft curtain.

이 절은 실제 선박에 설치된 방화문을 고려하여 화재 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석한 것이다. 이때 모든 조건으로 시뮬레이션을 수행하는 것은 물리적으로 불가능하여 특정 조건하에서 시뮬레이션을 수행한다. 이때 실제 선박과 유사한 상황을 위해 방화문은 화재 발생을 알리는 경보기 작동 10초 후 방화문이 닫히도록 하였다. 그리고 미처 탈출하지 못한 실습생 및 승무원이 방화문을 열고 탈출하는 경우를 가정하여 3초 간격으로 방화문이 개폐하도록 하였다. 방화문은 1개로 복도에 중앙 즉, 18.4m에 설치하였다. 시뮬레이션 결과 연기가 방화문에 최초로 도착한 시간은 23초로 나타났다. [Fig. 7]은 온도 변화를 나타낸 것으로 위로부터 연기가 방화문에 최초로 도착한 시간인 23초와 총 시뮬레이션 시간인 100초에서 50초 간격으로 분석한 것이다.

[Fig. 7] 
Temperature distribution of fire door (23, 50, 100sec).

[Fig. 8]은 가시거리 변화를 나타낸 것으로 연기가 방화문에 최초로 도착한 시간인 23초와 총 시뮬레이션 시간인 100초에서 50초 간격으로 분석한 것이다.

[Fig. 8] 
Visibility distribution of fire door (23, 50, 100sec).

<Table 6>은 방화문 및 제연경계벽이 설치되지 않은 경우, 방화문이 설치된 경우 그리고 제연경계벽이 20, 30, 40cm로 설치된 경우 최대온도 및 최소 가시거리를 표로 정리한 것으로 온도의 경우는 모두 대피허용한계값인 60°C를 초과하지 않았지만 제연경계벽인 온도가 더 감소함을 확인 할 수 있다. 특히. 가시거리의 경우는 확연한 차이가 나타났다. 본 연구에서는 목재화재에 화재의 크기를 100kW로 시뮬레이션한 것으로 유류화재나 더 큰 크기의 화재 발생 시 온도에도 영향이 있을 것으로 예상되며 다양한 종류의 화재 및 크기는 향후 지속연구가 필요할 것이다.

[Fig. 9]는 방화문과 제연경계벽 길이에 대한 온도분석 결과로 대피허용한계값인 60°C를 초과하지 않았지만 제연경계벽이 설치된 경우가 방화문의 경우보다 온도가 낮게 나타나 인명 안전에 상대적으로 안전한 것으로 나타났다.

[Fig. 9] 
Comparison of temperature variation with time at measuring point length of draft curtain and fire door.

[Fig. 10]은 가시거리 분석 결과를 그래프로 나타낸 것으로 초기에 30m에서 일정하게 유지하는 이유는 FDS 프로그램은 최대 가시거리이기 때문이다. 이때, 그래프에서 보는 바와 같이 방화문이 가시거리에서는 더 낮게 분석되어 인명 안전에 상대적으로 위험한 것으로 나타났다.

[Fig. 10] 
Comparison of visibility variation with time at measuring point length of draft curtain and fire door.