화재역학(Fire Dynamics)
화재역학(Fire Dynamics)은 화재역학, 화재유동학, 화재현상학 등 다양한 명칭으로 불 리고 있으며 기본적으로 화재발생으로 인한 열 및 물질전달과 연소반응을 중심으로 화재의 발생과 성장에 대한 물리적, 화학적 특성을 이해하는 학문분야로 화재현상을 이해하는데 가 장 기본이 되는 학문이다.
Fire Dynamics is a field of study that understands the physical and chemical characteristics of fire occurrence and growth, focusing on heat and mass transfer and combustion reactions caused by fire, and is called fire mechanics, fire mechanics, and fire phenomenology.
화재학에서 다루는 대상인 불(fire)은 일반적으로 공기 중의 산소와 가연성 연료에 의한 다양한 형태의 화학반응을 통칭하는 것으로 기본적으로 인간의 생 존에 필요한 열에너지를 제공할 뿐만 아니라 열을 기계적인 일로 변환하여 인간의 삶을 윤 택하게 하는 동력원으로 사용되어 왔다.
ire, a target of fire studies, is generally a collective term for various forms of chemical reactions caused by oxygen and combustible fuels in the air, and has been used as a power source to enrich human life by converting heat into mechanical work.
그러나 이러한 불이 사람에 의해 적절히 제어되지 않았을 때 엄청난 인적, 물적 피해를 야기해 왔다. 따라서 불에 의한 피해, 즉 화재에 적절히 대처하기 위해서는 화재 자체에 대한 원천적인 접근방식이 필요하며 이러한 접근(이해)은 공학적인 관점에서 화재거동의 상세한 이론을 기본으로 한다.
However, when these fires are not properly controlled by humans, they have caused enormous human and material damage. Therefore, in order to properly deal with fire damage, that is, fire, a fundamental approach to fire itself is needed, and this approach (understanding) is based on a detailed theory of fire behavior from an engineering point of view.
본 장에서는 화재 및 화재학 에 대한 정의 및 범위를 설정하고 화재사고 사례 및 국내외 화재연구를 통하여 화재학의 필요성에 대해 설명하고 화재역학을 이해하는데 기본적으로 필요한 단위와 차원 및 기초적인 화염특성에 대해 소개한다.
This chapter sets the definition and scope of fire and fire studies, explains the necessity of fire studies through fire accident cases and domestic and international fire studies, and introduces basic units, dimensions, and basic flame characteristics required to understand fire mechanics.
화재 및 화재역학의 정의
일반적으로 화재는 ‘제어되지 않는 연소반응(uncontrolled combustion)’으로 가연성물 질의 급속한 산화반응을 통해 빛과 열 그리고 다양한 연소생성물을 발생시키는 과정을 의 미한다. 국내의 경우 화재에 대한 정의는 행정자치부 훈령 제17호에 의해(1998. 11. 7) 다음과 같이 정의하고 있다.
여기서 “반하거나”의 뜻은 과실에 의한 화재를 의미하며 화기 취급 중 발생하는 실화뿐 만 아니라 부주위에 의한 자연발화도 포함한다. “고의에 의해”라고 하는 것은 일정한 대상에 대하여 피해발생을 목적으로 화재발생을 유도하였거나 직접 방화한 경우를 말한다.( Here, the meaning of "against" means a fire caused by negligence and includes not only a true story that occurs during the handling of a firearm, but also natural ignition by the surroundings. The term "intentionally" means a case in which a fire has been induced for the purpose of causing damage to a certain object or a fire has been set on fire directly. )
“연 소현상”은 함은 가연성물질이 산소와 결합하여 열과 빛을 내며 급속히 산화되어 형질이 변 경되는 화학반응을 말한다. ‘소화시설 등을 사용하여 소화할 필요가 있는 것’의 의미는 화 재란 연소현상으로서 소화의 필요성이 있어야 하며 소화의 필요성의 정도는 화재의 규모적인 측면에서 소화시설이나 그와 유사한 정도의 시설을 사용할 수준 이상이어야 한다는 것이다.
그러나 구체적 정의가 어떠하던지 간에 일상에서 우리가 알고 있는 화재의 개념과 크 게 다르지 않으며 의도되지 않은 연소현상으로 인명과 재산상의 피해를 유발할 우려가 있 는 것으로 포괄적으로 이해할 수 있다
However, no matter what the specific definition is, it is not very different from the concept of fire we know in everyday life, and it can be comprehensively understood that unintended combustion may cause damage to life and property
화재로 인한 피해규모는 작고 단시간에 제어가 가능한 것에서부터 도시화재와 같이 오랜 시간동안 지속되며 대규모 피해를 야기하기도 한다. 역사적인 대규모 화재사례를 살펴보면 런던 대화재(great fire of London)는 1666년 9월 2일 새벽에 제빵공장에서 화재가 시작되어 5일 동안 런던 시내 전체로 화재가 확산되었으며 런던건물의 80%가 전소되었고 당시 인구 8만 명 중 7만 명이 집을 잃었다. 시카고 대화재는 1871년 10월 8일 밤 시카고 거리에서 발생한 원인 모를 화재는 소나무 보도를 따라 도시전역으로 확산되었으며 사흘간 계 속된 화재로 9만여 채의 건축물이 소실되었고 300여 명의 사망자와 9만여 명의 이재민이 발생하여 당시 화폐로 2억 2,200만 달러(현재 가치로 약 250억 달러)의 재산피해를 가져왔다.
2007년 8월 24일에 발생한 그리스 대화재는 최초 펠레폰네소스 반도의 작은 민가에서 화재가 시작되어 9월 초까지 그리스 전국토의 약 50%가 소실되었으며 사망 64명 이재민 5000여 명을 포함한 천문학적인 피해를 야기했다. 일반적으로 화재로 인한 인명피해를 나타내는 기준으로 [그림 3-3]과 같이 인구 백만 명 당 한해 화재사고로 사망하는 사람의 수를 나타내는 연간 화재사고 사망률(annual fire death rate)이 있다.
국내의 경우 1997년~1999년 사이 인구 100만 명당 약 10.7명~12.1 명의 사망자를 보이고 있으며 평균은 약 11.5 명이다. 이는 동일시기의 다른 나라와 비교 했을 때 영국과 비슷한 수준이다. 그러나 우리나라의 경우 도시 집중화가 심각한 수준이고 주거형태가 아파트와 같이 공동주택이 주된 주거형태이기 때문에 대형 화재사고의 우려가 상존하고 있다. However, in Korea, concerns about large-scale fire accidents exist because urban centralization is serious and apartment houses are the main types of housing such as apartments.
화재역학은 이러한 화재현상에 대한 열 및 유체유동, 물질전달, 연소현상 등의 물리적, 화학적 현상에 대한 이해를 함께하는 학문분야로써 화재현상에 대한 상세한 지식을 기초로 하여 화재안전을 확보하는 것을 목적으로 한다. NFPA 921에서는 연소반응을 이해하기 위 한 화학을 비롯한 화재거동과 상호작용하는 열전달 및 유체유동의 공학적인 학문분야를 화 재역학(fire dynamics)으로 정의하고 있다. Fire dynamics is defined as the engineering discipline of heat transfer and fluid flow that interacts with fire behavior, including chemistry, to understand combustion reactions.
[그림 3-4]에서 제시하는 바와 같이 화재현상은 다양한 길이규모(length scale)에서 일 어나는데 화재현상에서 가장 작은 길이규모는 연소과정에서 생성되는 매연(soot) 입자로써 길이규모가 나노크기(10-8~10-9m) 정도이다. 화재의 확산화염(diffusion flame)의 화염 편 의 두께는 밀리미터 크기(~10-3m) 정도이며 가연물에서 발생된 화염의 높이는 미터크기 (10-1 ~ 100m)의 크기정도를 가진다.
한편 완전 발달된 건축물의 경우 화재크기는 수십미 터(1~10 m)까지 성장하고 산불의 경우 수십 킬로미터(~104 m) 이상의 길이규모를 가지기 도 한다. 이와 같이 화재현상은 물리적 현상자체가 복잡할 뿐만 아니라 다른 학문분야의 연구 대 상 길이규모에 비해 매우 폭넓은 길이규모에 걸쳐 연소현상이 이루어지기 때문에 다양한 물리적 현상이 존재하고 이를 명확히 이해하는데 어려움이 적지 않다.
따라서 화재현상의 이해는 물리적 현상을 지배하고 있는 기본적인 이론을 바탕으로 화재에 대한 다양한 경험 적인 방법을 접목함으로써 화재현상의 구조적 특성을 이해할 수 있다. Therefore, understanding the fire phenomenon can understand the structural characteristics of the fire phenomenon by incorporating various empirical methods of fire based on the basic theory that dominates the physical phenomenon.