본 연구에서는 음속으로 제트 누출된 인화성 가스의 폭발위험장소 범위를 산정하기 위하여 3차원 𝑘-𝜖 난류 모델을 사용하여 수치해석하였다. 수치해석 방법론의 복잡성을 피하기 위하여 누출구멍 주위의 음속 유동은 등가누출직경이론을 적용하여, 비입축성 유동장의 입구 조건으로 적용하였다. 누출압력 및 누출구멍 크기가 다른 20가지 메탄 누출 시나리오에 대한 해석 결과 폭발하한계 Contour는 확산보다 큰 대류의 영향으로 최대폭 대비 최대높이가 약 12~14배 큰 폭발위험지역 형상으로 나타났다. CFD에 의한 폭발위험장소 범위는 IEC 60079-10-1에 의하여 1 m 이상으로 산정된 결과와 비교할 때 약 5~10% 작은 것으로 나타났다. IEC 60079-10-1에 의하여 정확한 범위가 계산되지 않는 누출률이 작은 시나리오에 대해서도 CFD 결과 정량적인 위험범위를 산정할 수 있었으며, 압력 및 누출구멍의 직경과 비선형비례관계를 갖는 것을 확인하였다.
In this study, three-dimensional 𝑘-𝜖 turbulence numerical simulations were conducted to analyze the extent of hazardous area for the sonic jet leakage of flammable gas. Incompressible fluid flows were simulated based on an inlet boundary condition estimated using the theory of “equivalent leak diameter” to prevent the direct simulation of sonic flows near the leakage hole. Numerical simulations of 20 methane leakage scenarios providing the lower explosive limit contour showed shapes of the hazardous area with a maximum height of approximately 12-14 times larger than the maximum width, owing to convection. The extents of hazardous area determined using computational fluid dynamics (CFD) were approximately 5%-10% lower than the results obtained with 1 m over based on IEC 60079-10-1. For scenarios in which quantitative data were not calculated using IEC 60079-10-1 due to low release rates, CFD provided quantitative data for the extent of hazardous area, showing nonlinear relationships with the pressure and diameter of leak holes.
1. 서론
2. 가스누출 조건
3. 폭발위험장소 범위
4. 결론