음속 제트 누출된 인화성 가스의 폭발 위험에 대한 등가누출직경 기반 수치해석 = A Numerical Study on Explosion Risk for Sonic Jet Release of Flammable Gas by Using Equivalent Leak Diameter

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the three-dimensional realizable turbulence numerical simulations were conducted to analyze explosion risk such as the extent of explosion hazardous area, the extent of detectable distance that depends on an alarm set concentration, etc for the sonic jet release of flammable gas. The incompressible fluid flows were simulated by using an inlet boundary condition estimated by the theory of ‘equivalent leak diameter' to avoid the direct simulation of the sonic flow near the leakage hole. Numerical simulations consisting of twenty methane leakage scenarios with various leakage hole sizes and gas pressures provided the lower explosive limit contour shows shapes of hazardous area with a maximum height of about 12∼14 times larger than the maximum width due to the influence of convection greater than diffusion. The extents of hazardous area by CFD were about 5∼10% smaller compared to the results with 1m over by IEC 60079-10-1. For scenarios where quantitative data were not calculated by IEC 60079-10-1 due to small leakage release rates, CFD provided quantitative data of the extent of hazardous area which shows a nonlinear proportional relationship with the pressure and diameter of leak holes.
The ventilation velocity such as 0 m/s, 0.5 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s was applied to sonic jet release of methane gas from 10.0 ㎟ hole at 800 ㎪ outdoor. In case of low ventilation velocity, there was little change in the extent of explosion hazardous area. but in case of 2.0 m/s, the extent of explosion hazardous area was reduced by 19% compared to the case with no ventilation velocity.
The location of gas detectors installed in urban gas-using facilities was investigated by using CFD. Numerical simulation consisting of twenty methane gas leakage scenarios with various leakage hole sizes and gas pressures provided quantitative data of a detectable height that depends on an alarm set concentration. Lowering the alarm set concentration from 25% of Lower Explosive Level(LEL) to 20% of LEL was found to increase the detectable heights by 23∼31%. Although the maximum width of 20% contour of LEL was increased by 16%∼30% compared to that of 25%, it was found that the width of the 25% contour of LEL predicted by CFD was as quite a small as about 30 cm.
By using the quantitative results of this paper, it can contribute to the safety improvement of flammable gas-using facilities.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 음속으로 제트 누출되는 인화성 가스인 메탄의 난류 유동장 해석을 위하여 3차원 realizable 난류 모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 음속 난류모델 수치해석의 복잡성을 피하기 위하여 등가누출직경이론을 적용하여, 비압축성 유동장의 경계 조건으로 적용하였다. 다양한 압력상태에서 2차 누출등급의 누출구멍으로 누출된 메탄의 농도 Contour를 통하여 폭발위험장소 반경, 환기속도에 따른 폭발위험장소 범위 변화, 가스감지기의 설치위치 및 경보설정농도에 대하여 분석하였다.
폭발위험장소 범위의 정량적 산정을 위하여 압력 150, 250, 500, 800, 1,000 ㎪에서 0.1, 2.5, 5.0, 10.0 ㎟의 누출구멍을 통해 누출되는 20 가지 시나리오를 분석하였다. 폭발위험장소에 대한 기준인 IEC 60079-10-1 Explosive atmospheres - Part 10-1: Classification of areas - Explosive gas atmospheres에 의하여 폭발위험장소 범위를 산정한 결과 1 m 미만으로 명확한 범위를 알 수 없는 누출률이 작은 시나리오에 대하여 등가누출직경을 적용한 수치해석을 통하여 폭발위험장소 범위를 정량적으로 예측할 수 있었으며, IEC 60079-10-1에 의한 폭발위험장소 범위와 비교할 때 수치해석 결과가 약 5∼10% 정도 작게 나타났다.
옥외에서 800 ㎪의 메탄가스가 10.0 ㎟의 누출구멍으로 음속의 제트 누출되는 경우에 대하여 환기속도 0 m/s, 0.5 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s를 적용한 결과 환기속도가 낮을 때 폭발위험장소 범위의 변화는 거의 없었으나 환기속도가 2.0 m/s와 같이 빨라지는 경우 희석효과 등으로 폭발위험장소의 범위는 외기 흐름이 없는 경우에 비해 약 19% 가량 낮아지는 것으로 나타났다.
가스감지기 설치의 적정성 분석을 위하여 압력 150, 250, 500, 800 ㎪의 조건에서 0.25, 0.1, 2.5, 5.0, 10.0 ㎟의 누출구멍을 통해 가스가 누출되는 20 가지 시나리오를 분석하였다. 메탄 농도 Contour의 분석 결과 가스감지가 가능한 높이에 대한 정량적 데이터를 도출하였으며, 누출량 대비 층고가 높은 장소에 설치된 메탄가스 감지기는 작동 신뢰성이 낮아질 수 있는 것으로 나타났다. 가스감지기의 경보설정농도를 폭발하한계의 25%에서 20%로 낮출 경우 감지가능한 높이가 23%∼31% 증가하는 것으로 나타났다. 단, 누출예상부위를 중심으로 폭발하한계 25% 농도 Contour의 최대폭은 크지 않으며, 폭발하한계 농도를 20%로 낮출 경우에도 해당 Contour의 최대폭의 증가는 크지 않았다.
이러한 결과는 음속으로 제트 누출되는 인화성 가스의 폭발위험지역 형상 및 범위, 가스감지기의 설치 위치 및 경보설정농도 등을 정량적으로 결정하는데 활용될 수 있다. 또한, 등가누출직경을 적용한 수치해석 방법은 음속으로 제트 누출되는 물성이 다른 인화성 가스, 누출조건이 다른 음속의 제트 누출 등의 위험을 공학적으로 평가하는데 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구배경 및 목적 1
• II. 연구방법 3
• 1. 분석방법 3
• 2. 적용조건 4
• 3. 등가누출직경(Equivalent Leak Diameter) 12
• III. 수치해석 방법 14
• 1. 지배방정식 14
• 2. 해석영역 16
• 3. 격자독립성 분석 17
• Ⅳ. 음속 제트 누출된 인화성 가스의 폭발위험 장소 범위에 관한 수치해석 19
• 1. 서론 19
• 2. 분석 20
• 3. 소결 34
• Ⅴ. 환기속도가 음속 제트 누출된 인화성 가스의 폭발위험장소 범위에 미치는 영향에 대한 수치해석 35
• 1. 서론 35
• 2. 분석 37
• 3. 소결 43
• Ⅵ. 음속 제트 누출된 인화성 가스 감지를 위한 가스감지기 설치에 대한 수치해석 44
• 1. 서론 44
• 2. 분석 45
• 3. 소결 63
• Ⅶ. 결 론 64
• 참고문헌 66
• 영문초록(Abstract) 68