Fire whirl은 도시 및 산림화재와 같이 광범위한 지형에서 주로 발생하며, 화염주위 환경의 불안전성에 의해 발생하는 현상이다. Fire whirl은 드물게 발생하지만, 높은 흡입력과 양력을 가지게 되어 연소속도를 증가시키는 매우 위험한 현상이다. 본 연구에서는 산림화재에서 발생하는 fire whirl 특성에 대한 고찰을 위해 굴참나무 낙엽을 이용한 fire whirl 실험 및 수치해석 연구를 실시하였다. 실험 결과 유입공기의 속도가 증가함에 따라 화원주위의 회전강도가 증가하여 발열량 및 화염길이가 일반 풀화재에 비해 최대 22.8%, 18.4% 증가하였으며, 수치해석은 실험결과와 유사한 경향을 나타내었다.
The fire whirl occurring in the urban and/or wildland fire is generated by the instabilities of atmosphere. The fire whirl is a rare phenomenon, but highly destructive because it has high inhalation and lift force. In this study, experimental study is performed with oriental oak leaves, for investigating of the fire whirl characteristics occurred in wildland fire. As a result of experiment, the circulation intensity increases as increasing of the induced air velocity, and then the fire whirl occurs. Also, the heat release rate and flame height increase 22% and 18% in highest circulation.
화점높이 변화에 따른 풀 화재와 회오리 화염의 연소특성을 알아보기 위하여 인화성 액체인 메탄올을 $100{\times}100{\times}50$ 크기의 스테인레스 재질의 사각형 용기에 넣고 연소실험을 하였다. 연소시간, 질량감소속도, 화염온도, 화염높이 및 외부로부터 화염으로의 공기유입속도 등을 측정하였으며, 연소시 화염의 거동은 비디오카메라를 이용하였다. 모든 실험결과로부터 화점높이 변화에 따른 연소특성은 풀 화재보다는 회오리 화염에 있어서 더 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
화점높이 변화에 따른 회오리 화염의 질량감소속도와 공기유입속도를 알아보기 위하여 회오리 화염 연구에서 많이 사용되고 있는 인화성 액체인 메탄올과 노말 헵탄을 사용하였다. 용기의 재질은 스테인레스로 100mm ${\times}$ 100mm ${\times}$ 50mm 크기의 사각형으로 제작하여 연소실험에 사용하였다. 외부로부터 화염으로 의 공기유입속도는 화점의 높이를 0cm에서 30cm로 변화시켰을 때, 0cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타냈으며, 동일한 화점의 높이에서는 다점풍속기의 높이가 30cm인 경우에 가장 빠른 평균 공기유입속도와 최대 공기유입속도를 나타내었다. 또한 메탄올과 노말 헵탄의 회오리 화염의 결과로부터 질량감소속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 1.33~1.58배, 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 노말 헵탄이 메탄올에 비해 4.38~5.44배 각각 빠름을 알 수 있었다. 결론적으로, 회오리 화염에서 질량감소속도와 외부에서 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이가 증가할수록 감소하며, 같은 실험조건에서 시료의 고위/저위 발열량이 높을수록 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
The fire whirl occurring by the instability of atmosphere is a rare phenomenon, but highly destructive because it has high inhalation and lift force, caused by the rotating velocity. And it is difficult to extinguish the fire, because of increment of the spread rate with the flame height. In this study, for investigation of the flow characteristic of fire whirl for various heat release rate, numerical analysis is performed in same conditions with experiments, using the FDS which is developed at NIST. For validating of the numerical study, the results are compared with the experiment. The result shows that the relation between the characteristic length and the ratio of circulation versus the buoyancy force is $z_f$/D$^{\ast}$ = 0.304(${\Omega}/{\alpha}$)^2 - 1.334${\Omega}/{\alpha}$ + 5.516.
Rotational motion in the atmosphere around a fire may have a profound influence on the fire plume. This process underlies the occurrence of fire whirls. Fire whirls are rare but highly destructive phenomenon which were observed in a large forest, urban and building fires. The present study aims to investigate of the effect of rotation Strength on the fire whirl characteristics expeimentally. Experiments are performed for various sizes of fire source with different rotation strength. From the experimental observations, it is noted that the mean centerline temperature is gradually increased and mean radial temperature is decreased as increases rotation strength. The characteristic mean flame height of fire based on the visible observation is increased as increases of dimensionless swirl parameter, $\Omega/\alpha$, represented by swirl induced motion to buoyancy driven motion.
4-panel of 1m height and 45cm width were fixed on the $40cm{\times}40cm$ bottom plate and the opening of the panel comer was 5cm. Diameter of stainless vessel is loom and its height is 2cm and it located at the center of the bottom plate. 78mL liquid fuel was filled in the vessel and its depth was 1cm. Flame temperature was measured with K type thermocouple, and radiation heat of flame was measured with heat flux meter. Flame height and its behavior was visualized with video camera. and mass burning rate was measured by fuel combustion time. According to the development of fire, flame swirling was begin. From the experiment the mass burning rate was larger and the height of flame was higher than the usual pool fire flame. Flame temperature and heat flux also increased far more than the pool fire. Consequently the swirling air flow through the openings between the panel and thermal buoyance contribute to increase of heat release rate, flame length and mass burning rate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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