화염높이의 실시간 측정을 위한 광학장치의 개발

Development of the Optical Device for Real-time Measurement of Flame Height

화재 위험성 평가 및 화재안전문제의 해결을 위하여 공학적인 화재 특성 파악은 매우 중요하게 인식되고 있다. 화염의 높이는 화염에 근접한 주요 설비 및 건축 구조물로의 화재 확산, 화재진압 및 피난 설비 등 화재안전에 직접적으로 연관되는 중요한 물리량이다. 화염높이는 이론적으로 연료 표면에서 혼합분율을 통해 산출되는 양론혼합비{(Zst)}의 수직 높이로 볼 수 있다. 그러나 관성력과 부력의 비로 표현되는 프루드수{(Fr)}가 낮은 부력이 지배적인 화재의 화염은 주기적인 진동을 가진다. 주기적으로 진동하는 부력화염을 정량화시키기 위해 다양한 평균 화염높이의 정의, 측정법 및 상관식들이 제안되었다. 일반적으로 화재실험에서 화염높이 측정에는 비디오 및 카메라를 통해 가시화로 이루어지는 직접시각화 방법을 적용하고 있다. 가시 화염의 높이는 온도 또는 농도 측정에 의한 화염높이보다 더 긴 경향을 보인다고 알려져 있다. Turns and Bandaru는 연료 유형에 따라 시간 평균 가시 화염 길이보다 약 65~80% 더 큰 온도 기반 화염높이를 보고하고 있다. 직접시각화 측정 방법은 눈에 보이는 화염의 지속시간과 화염의 진동 주기 시간의 비를 의미하는 간헐성(Intermittency)이 0.5가 되는 평균 화염길이(화염높이)의 정의가 주로 적용된다. 간헐성을 이용한 화염높이는 사람의 눈에 의해 평균된 화염높이와 거의 일치하거나 약 20% 정도 더 짧은 경향을 보인다고 알려져 있다. 카메라 및 비디오를 통해 순간적인 화염 강도(Luminous intensity)를 가시화하여 화염높이를 측정하지만 화염강도의 기준이 불명확하기 때문에 물리적인 인자의 정량적인 수치와의 연관성을 찾기 어렵다. 본 연구에서는 Lab-scale 화재 실험에서 화염높이의 실시간 측정이 가능한 광학장치를 이용하여 측정장치를 개발하고자 한다. 개발된 광학장치의 측정 정확도를 확인하기 위하여, 풀 화재의 확산화염 조건에서 직접시각화 방법(비디오) 및 기존 상관식(Heskestad)을 활용하여 평균화염높이를 정량적으로 비교⋅검토하였다.