화재플룸 공기인입

정의

화재플룸 공기인입은 화원 위로 솟는 고온 연소가스 기둥 주변에서 일어나는 현상이다.

차가운 공기가 기둥의 측면으로 들어와 연소가스와 섞인다.

구조와 원리

화재플룸은 화원 위에 생기는 부력 흐름이며, 고온의 연소생성물이 밀도 차로 상승한다.

상승하는 기둥의 옆면으로 주변 공기가 유입되는 것이 공기인입이다.

플룸 속도는 연료 증발 속도보다 유입 공기량에 의해 정해진다.

엔트레인먼트 계수

공기인입량은 플룸의 국부 속도에 비례한다. 이 비례 상수가 엔트레인먼트 계수다.

수직 제트는 약 0.08이고, 수직 부력 플룸은 조건에 따라 값이 달라진다.

휘어진 플룸은 약 0.6으로 알려져 있다. 단순 상승 플룸은 6~15도 반각으로 넓어진다.

계산 예제

가솔린 1 m² 액면화재의 최대 연소질량속도는 55 g/m²·s, 즉 0.055 kg/m²·s다.

증기 밀도는 공기 밀도의 2배로 두고, 질량속도를 밀도로 나누어 출구 속도를 구한다.

그 결과 증기 출구 속도는 약 0.023 m/s로 매우 작다.

지배 요인 비교

액면 화재와 고체 표면 화재는 연료 분출 속도가 작다.

분출 속도가 작으면 공기인입이 플룸을 지배하고, 가스 제트 화재는 분출 운동량이 지배한다.

그래서 대책도 다르다. 먼저 지배 요인을 판정해야 맞는 대책을 세울 수 있다.

흔한 실수

채점에서 자주 감점되는 실수가 세 가지 있다.

첫째, 플룸 속도를 증발 속도로만 설명하는 것이다. 증발 가스는 부차 요인이다.

둘째, 가솔린 증기의 무거움을 상승 원동력으로 보는 것이다. 상승은 화염 가열로 생긴 부력이다.

셋째, 엔트레인먼트 계수를 고정값으로 쓰는 것이다. 계수는 형태와 국소 조건에 따라 달라진다.

정리

정리하면 화재플룸은 주변 공기를 인입하며 상승하는 고온 연소가스 기둥이다.

플룸 속도는 증발 가스 출구 속도가 아니라 인입 공기량이 지배한다.

답안에는 엔트레인먼트 계수가 조건에 따라 달라진다는 점을 함께 쓰는 것이 안전하다.