부분 개방 용기 내 가스 폭발 시 장애물 위치에 따른 화염전파거동 분석 = Analysis of a flame by Locations of Obstacles in an Partially Opened Explosion Chamber

국문 초록 (Abstract)

장애물이 있는 용기 안 에서 가스가 폭발할 때 용기 내 장애물의 형태와 위치 변화에 따른 폭발 화염 전파 거동을 확률밀도함수 (PDFs)를 이용하여 장애물의 위치 및 조건에 따라 비교 분석 및 정량화 하였다.
기존에 이용된 화염 거동 분석 방식은 대부분 상부 부분 개방 용기를 모델을 이용하여 장애물 위치 및 형태에 따른 압력의 변화를 측정하고 폭발 챔버 내의 화염전파거동을 정성적으로 분석하였으나 확률밀도함수를 이용한 정량적인 분석을 시행함으로서 얻은 결과는 가스 시설 등 가스 폭발의 위험이 있는 시설의 안전 설계에 활용할 수 있는 자료가 되리라 기대한다.
실험에 사용된 모델의 크기는 가로 700 mm X 700 mm, 높이 1000 mm의 용기에 상부 전체 면적 대비 30 %인 700 mm X 210 mm 크기의 직사각형 상부 폭발 벤트를 설치하였으며 폭발 용기 내부에 설치하는 장애물의 종류는 삼각기둥, 사각기둥 및 원통형으로 하였고 장애물의 설치 위치는 폭발 모델의 점화원으로부터 상부로 200 mm, 500 mm, 800 mm 높이로 변화를 주어 설치하여 실험을 실시하였다.
폭발 순간의 장애물의 위치 및 형태에 따른 화염전파 거동을 기록하기 위하여 폭발 모델의 상부에 압력 센서를 부착하여 압력 변화를 측정 하였고 500 f/s의 고속 카메라를 이용하여 화염의 전파 형상을 촬영하였으며 촬영된 사진의 화염을 이미지화 후 화염 전면의 거동을 Fortran을 이용하여 데이터 처리 후 확률밀도함수 (PDFs) 를 이용하여 분석 정량화 한 것이다.
폭발 화염 전파 속도 분석 결과 화염의 전파 속도는 장애물의 형태 및 점화원 으로부터 장애물 위치에 따라 다르게 나타났다. 먼저 장애물의 형태에 따라 화염 전파 속도를 구분하면 삼각기둥형의 장애물이 폭발 화염의 장애물 이후의 화염 전파 속도가 가장 빠른 속도를 보여주었으며 이에 반하여 원통형의 장애물이 가장 느린 화염 전파 속도를 나타냈다. 장애물 설치 위치에 따른 전체적인 화염 전파 속도는 점화원에 가깝게 설치된 200 mm 위치에서 가장 빠르게 확산 전파 되었고 점화원에 가깝게 설치 될수록 화염 전파속도가 빠르게 나타났다. 그러나 전체적인 화염 전파 속도와는 달리 폭발 화염의 장애물 통과 순간 화염 가속화는 점화원으로부터 장애물의 위치가 멀리 설치되어 있을수록 급격하게 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Measurements were performed to investigate the effects on flame development by varying locations of multiple obstacles in a top-venting explosion chamber. The chamber dimension was 1000 mm in height with a 700 mm, 700 mm cross-section and a rectangular vent area of 700 mm 210 mm. Three different multiple obstacles with blockage ratio of 30 % were used by changing from 200 mm, 500 mm to 800 mm in heights within the chamber. Temporally resolved flame front images were recorded by a high speed camera (500 f/s) to investigate the interaction between the propagating flame and the obstacles. The results showed that the triangular bar caused the fastest flame developments at given times whereas the lowest was obtained with the cylindrical bar. It was also found that local flame displacement speeds of different obstacles were sensitive to the locations of obstacles. The local speed becomes larger in going from 200 mm, to 500 mm and to 800 mm in heights. The obstacles in height of 800 mm yielded the highest flame velocity whereas the lowest was in height of 200 mm.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 ⅰ
• 표 목 차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• I.서론 1
• 1.연구 필요성 1
• II.이론적 배경 3
• 1.폭발사고 위험성 3
• 2.손실의 역사 4
• 3.가스 폭발 과정 5
• 4.예혼합 난류 연소 7
• III.실험 장치 및 데이터 수집 10
• 1.실험 장치 구성 10
• 2.화염 전파 분석 방법 12
• 2.1.분석 대상 구역 설정 12
• 2.2.이미지 처리 13
• 2.3.화염 전면의 분석 14
• 2.4.분석 대상 구역의 폭발 화염 분석 14
• 2.5.화염 전파 속도의 통계 15
• IV.실험 결과 및 고찰.17
• 1.화염 성장 17
• 2.장애물 설치 위치에서의 화염거동 20
• V.결 론 39
• 참고문헌 41
• Abstract 45