Fire  Plume   화재 플럼

개요

Fire Plume이란 화재시 발생하는 부력 기둥과 화염 기둥을 합한 화재 기둥을 의미한다.

부력 기둥이란 유체의 밀도차 때문에 기류는 유체 내에서 상승하는 힘이 생기는데, 이 힘에 의해 생기는 상승기류의 기둥이라고 할 수 있다.

화염 기둥이란 간헐 화염 영역과 연속 화염 영역을 합한 것으로 화재시 발생하는 화염에 의한 기둥을 의미한다.

Fire Plume 발생 메카니즘

부력

화재로 발생한 가스는 고온이므로 부력에 의해 화염 위쪽으로 상승기류를 형성 한다.

부력 기둥은 주위 공기를 유입하면서 상승하여 공간 상부에 연소 생성 가스와 공기의 혼합기층을 만든다.

공기의 인입

부력 기둥에 의해 더운 기류가 상승하게 되면 차가운 공기가 화재 플럼 내로 유입된다.

와류(소용돌이) 형성

부력에 의해 상승하는 기류는 인입되는 공기에 의해 희석되어 온도가 서서히 낮아진다.

상승하는 기류의 차가운 끝부분이 천천히 아래로 내려오면서 공기가 회전하기도 하고 상승하기도 하는데 이를 와류라 한다.

와류 생성주기

여기서, : 주파수(㎐), D: 화재의 직경(m)

중력에 의한 낙하

기류는 점점 차가워지고 중력에 의해 낙하하기 시작한다.

Fire Plume 구성

부력 플럼 영역

부력 플럼 영역이란 화염이 존재하지 않은 상층 열기류의 영역으로 화염높이에 따라 유속과 온도가 감소되는 곳을 말한다.

부력 플럼 이란 열원 위에서 상승되는 대류열류의 기둥을 묘사하기위해 사용되며, 주위 공기보다 상대적으로 밀도가 작은 유체가 상승하게 된다.

부력 플럼의 구조는 주위 유체와의 상호작용에 의해 결정되는 것으로, 부력 플럼 내의 온도는 화재 강도와 플럼 높이에 의해 예측할 수 있다.

화염 플럼 영역

화염 플럼 영역이란 간헐 화염영역과 연속 화염영역에 합한 것으로 이 둘은 서로 연결된 형태이다.

간헐 화염영역이란 간헐적으로 화염의 존재와 소멸이 반복되는 영역으로 거의 일정하게 연소 가스의 유속이 유지되는 곳이다.

연속화염영역이란 연표 표면 바로 위의 영역으로 지속적으로 화염이 존재하고 연소 가스의 흐름을 가속시키는 곳이다.

평균 화염의 높이는 다음과 같이 구한다.

[eqn: L _{f`} ``=`0.23`Q ^{0.4} ``-1.02`D]              [eqn: L _{``f}] : 화염의 높이 m

Q : 에너지 방출속도 kw

D : 화염 직경 m

Fire Plume 과 구획경계와의 상호 작용

Ceiling jet flow   천장 제트 흐름

Ceiling jet flow란 고온의 연소생성물이 부력에 의해 힘을 받아 천장면 아래에 얇은 층을 형성하는 비교적 빠른 속도의 가스흐름으로 화재 초기에만 존재한다.

수직범위의 Fire Plume이 상승하다 천장에 의해 제한을 받게 되면 더운 가스들이 수평방향의 천장 제트 흐름을 형성한다.

천장 제트 흐름에 의해 고온의 연소생성물이 천장의 화재감지기 또는 스프링클러 헤드로 이동하는 메커니즘이다.

Horizontal flame  수평 화염

①천장이 매우 낮거나 화재가 충분히 커서 화염이 직접 천장에 충돌되면 화염이 천장제트와 같이 수평으로 굴절된다.

②화염이 수평으로 굴절되면서 공기인입속도가 현저하게 감소되기 때문에 화염의 길이가 상당히 연장되는데 이를 수평화염이라 한다.

③수평화염은 부양성의 고온가스가 차가운 공기위로 흐르기 때문에 비교적 안정된 구조이며, 천장으로의 화염확장은 화재 성장에서 중요하다.

Confined plume   구획벽의 방해 플럼

화원이 벽쪽이나 구석에 있다면 자유로운 공기인입에 제한을 받게 되는데 이로 인해 부력 플럼에서는 온도가 높이에 따라 훨씬 천천히 저하된다.

이는 차가운 주변 공기와의 혼합속도가 자유로운 경우보다 훨씬 작게 되기 때문이다.

화염 플럼에서는 연소에 필요한 공기를 충분히 공급 받기 위해서 화염의 연장이 발생한다.

따라서 화염확산은 화염의 길이가 가장 긴 벽 쪽에서 가장 빠르다.