고체표면 화염확산속도

정의

고체표면 화염확산속도는 화염면이 고체 표면을 따라 이동하는 속도다.

쉽게 말해 불이 벽이나 바닥을 따라 옮겨 붙는 현상이다.

앞쪽 연료를 발화온도 Tig까지 가열하는 열공급이 속도를 정한다.

착화의 연쇄

화염 끝부분이 앞쪽 연료에 열유속을 전달한다.

열은 연료 내부로 전도되어 표면온도 Ts를 올린다.

Ts가 발화온도 Tig에 도달하면 그 지점에서 착화한다.

착화 지점이 새 화염이 되어 δf만큼 전진하고, 이 과정이 반복된다.

열 수지와 핵심 식

화염확산속도는 화염이 주는 열과 연료가 받아들이는 열의 균형으로 정해진다.

표의 q''와 δf는 화염이 공급하는 쪽이고, k·ρ·c·Tig는 연료가 받는 쪽이다.

공급 열이 크고 열 저장이 작을수록 표면이 빨리 발화온도에 도달한다.

두꺼운 재료의 확산속도는 열물성과 열전달 조건의 함수로 나타낸다.

상향과 하향 확산

상향확산은 화염 진행 방향과 공기 흐름이 같은 경우이며 풍조 확산이라고도 한다.

부력 흐름이 화염을 앞쪽 연료 쪽으로 기울여 가열 거리가 커질 수 있다.

하향확산은 공기 흐름과 반대 방향으로 번지며 화염이 연료에 바짝 붙지 못한다.

그래서 하향 확산은 상향보다 느리고, 방위 변화에 크게 민감하지 않다.

재료 두께

재료 두께에 따라 착화와 확산을 보는 방식이 달라진다.

얇은 재료는 표면 온도 구배가 없는 집중열용량으로 취급한다.

이때 확산속도는 두께에 반비례하고, 착화시간은 온도차에 비례한다.

두꺼운 재료는 두께 영향이 사라지며 내부로의 열전도 거동을 고려한다.

착화시간 계산

얇은 섬유 재료의 착화시간을 계산해 보자. 대표값부터 정리한다.

두께 1 mm, 발화온도 300 ℃로 두면 열용량 ρcl은 약 0.8 kJ/(m²·K)가 된다.

착화시간은 열용량에 온도차를 곱하고 순열유속으로 나눈 값이다.

복사열유속이 10~40 kW/m²이면 발화시간은 약 5~25초로 제시된다.

정리

지금까지 본 내용을 네 가지로 정리한다.

먼저 확산은 발화온도 도달이 이어지는 과정이고, 열의 균형으로 정해진다.

하향 확산은 상향보다 느리며, 얇은 재료는 두께와 온도차에 따라 달라진다.

두꺼운 재료는 내부 열전도 거동을 고려하며, 계산식이 달라진다는 점을 기억하자.