압력(Pressure)
유체에 작용하는 힘은 크게 2가지로 분류되는데 체적력(body force), 표면력(surface force)등으로 구분된다. 체적력은 유체의 질량에 작용하는 힘으로 예를 들어 무게, 부력, 전 자기력 등이 여기에 포함되며 물체의 체적전체에 작용하는 힘이다. The forces acting on the fluid are largely classified into two categories: body force and surface force. Volumetric force is a force that acts on the mass of a fluid, including, for example, weight, buoyancy, and electromagnetic force, and is a force that acts on the entire volume of an object
표면력은 물체의 표면에 작용하는 힘으로 표면의 면적에 비례한다. 표면력은 면에 수직 방향으로 작용하는 힘과 접선방향으로 작용하는 힘으로 나뉘는데 수직방향으로 작용하는 대표적인 힘인 압력과 접선방향으로 작용하는 전단력으로 구분된다. Surface force is the force acting on the surface of an object and is proportional to the area of the surface. Surface forces are divided into forces acting perpendicular to the surface and forces acting in the tangential direction, which are representative forces acting in the vertical direction, pressure, and shear forces acting in the tangential direction.
이밖에도 선력은 표면 에는 평행하지만 선에 대해 수직인 선력(line force)이 있고 표면장력이 대표적인 예이다. 유체가 유동하여 임의의 유체층이 다른 인접층과 다른 속도로 움직이게 되면 유체 내에 는 전단력이 발생한다. 이러한 응력은 속도구배에 비례하고 정지된 유체 속에서는 전단응력 은 작용하지 않는다. In addition, the linear force is parallel to the surface but perpendicular to the line, and the surface tension is a representative example. When the fluid flows and any fluid layer moves at a different speed than other adjacent layers, shear force is generated in the fluid. This stress is proportional to the velocity gradient and the shear stress does not act in a stationary fluid.
압력은 단위면적당 표면에 수직방향으로 작용하는 힘으로 정의된다. 평형상태에서 압력은 스칼라량이고 방향에 무관하다. 그림과 같이 정지된 유체 내 쐐기모양의 가상의 요소에 체적 력과 표면력이 작용하고 있을 때 유체는 평형상태에 놓여있기 때문에 합력은 0 이 된다. Pressure is defined as the force acting perpendicular to the surface per unit area. In equilibrium, the pressure is scalar quantity and direction independent. As shown in the figure, when volumetric and surface forces are acting on a wedge-shaped virtual element in a stationary fluid, the fluid is in equilibrium, so the total force becomes zero.
기체반응법칙과 상태방정식 기체의 반응과정에 관해 다음과 같은 두 개의 기본 법칙이 있다.
• Gay-Lussac의 법칙 기체가 반응할 때 같은 온도, 같은 압력하에서 소모된 부피와 생성된 부피 사이에 간 단한 정수비의 관계가 있다.
• Avogadro의 법칙 같은 온도, 압력 하에서 부피가 같은 모든 기체는 동일한 수의 분자를 가진다. 즉, 단 위체적당 분자 수는 일정하다.
혼합기체
화재역학에서 고려되는 대부분의 기체는 순수물질이라기보다 여러 물질이 섞인 혼합물 (mixture)의 형태를 띠고 있다. 예를 들어 화재에서 발생된 연기는 공기의 주성분인 질소와 산소 그리고 연소과정에서 생성된 이산화탄소, 수증기를 비롯해 불완전 연소 시에 발생하는 일산화탄소, 그을음 등. 다양한 가스종과 입자 등으로 이루어진 혼합물질이다.
이러한 혼합 물에 각각의 인자들이 얼마나 포함되어 있는지를 정량적으로 표현하기 위해 전체에 대한 상대적인 분율로 혼합물의 조성을 표현해야 하는 경우가 많다. 혼합물의 조성을 나타내는 방법에는 크게 질량에 기초한 조성비와 체적이나 혹은 몰수에 기초한 조성비로 나눌 수 있고 전자를 질량분율(mass fraction), 후자를 몰분율(mole fraction)로 정의한다.
여러 가스종이 섞여 있는 혼합기체를 고려할 때 각 개별종의 몰수를 N1, N2, N3... Ni... 라 하고 각 종의 질량을 m1, m2, m3... mi...라고 할 때 임의의 가스종의 몰분율( χ i)과 질량분율( m i)은 전체 몰수 혹은 전체질량에 대한 임의의 인자들의 몰수 혹은 질량으로 정의된다.
기본적인 화염의 특성
일상에서 가연물질은 기체, 액체, 고체상태로 존재하지만 일반적으로 화염을 동반한 급 격한 연소반응은 대부분 기체상태에서 반응이 이루어진다. 액체의 경우 증발과정을 통해, 고체의 경우 열분해(pyrolysis)를 통해서 기체상태인 연료증기(fuel vapor)를 형성한다. In everyday life, combustible substances exist in a gas, liquid, and solid state, but in general, most rapid combustion reactions accompanied by flames take place in a gaseous state. In the case of liquid, fuel vapor in a gaseous state is formed through evaporation, and in the case of solid, through pyrolysis.
따 라서 기체상태의 연료에 대한 연소특성을 이해하는 것이 화재발생으로 인한 화염특성을 이 해하는 기본이 된다. 그러나 연소현상에 대한 전반적이고 상세한 내용은 화재역학과 분리된 어 다루어지며 본 절에서는 화재역학의 이해에 기초가 되는 화염형태인 예혼합화염과 확산 화염의 특성에 대한 간단히 소개한다. Therefore, understanding the combustion characteristics of gaseous fuels is fundamental to understanding the flame characteristics caused by fire occurrence. However, the overall and detailed details of the combustion phenomenon are covered separately from fire mechanics, and this section briefly introduces the characteristics of premixed flame and diffusion flame, which are flame forms based on understanding fire mechanics.
예혼합 화염 (Premixed flame)
[그림 3-8]에서 보는바와 같이 분젠버너에서 형성되는 예혼합화염은 가연성 연료와 산화 제가 점화이전에 미리 잘 혼합되어 있는 상태에서 점화가 이루어지는 것으로 화염이 급속 히 전파되는 특징을 가진다.
점화를 위해서는 충분한 외부 에너지(전기스파크, 작은 화염)가 제공되어야 하고 연소속도가 빠르고 연료와 산화제의 혼합과정보다는 연료와 산화제의 화 학반응기구에 더 많이 의존한다. 일반적으로 예혼합 화염은 가연한계(flammability limt)를 가지는데 공기/연료의 혼합물 이 연소가 일어날 수 있는 연료의 농도를 의미하고 25oC에서 체적 퍼센트로 표시한다
예를 들어 메탄의 경우, 25oC에서 점화가 일어날 수 있는 연료의 농도범위는 5%~15% 사이에서만 점화가 일어난다. 여기서 점화가 일어나는 최소농도를 가연하한(lower flammability limit)이라하고 점화가 일어나는 최대농도를 가연 상한(upper flammability limit)이라 한다.
[그림 3-9]은 대표적인 연료의 가연한계를 도식적으로 나타낸다. 예혼합화염은 화염부근에서 유체유동이 난류인지 층류인지에 따라 층류예혼합화염과 난 류예혼합화염으로 구분된다.
일반적으로 혼합기(연료+산화제)의 유동이 난류와 됨에 따라 화염의 두께와 화염전파 속도가 증가한다. [그림 3-10]과 같이 관내 연료와 산화제가 혼합 되어 연소 중인 예혼합화염의 구조를 파악해 보면 화염영역은 예열영역(preheating zone)과 반응영역(reaction zone)으로 구분되며 화염의 두께는 약 0.1~1mm 정도이다.
온도가 Tu인 혼합기체가 예열영역으로 들어가면 반응영역으로부터 열을 받아 온도가 상 승하기 시작하고 반응영역에서는 본격적인 연소반응이 일어남에 따라 반응열에 의한 급격 한 온도상승이 이루어진다. When the mixed gas of temperature Tu enters the preheating region, the temperature starts to rise by receiving heat from the reaction region, and a full-scale combustion reaction occurs in the reaction region, resulting in a rapid increase in temperature due to reaction heat.
예열영역에서의 연료의 농도는 산화반응이 일어남에 따라 서서히 감소하고 반응영역에서 는 연소반응이 진행되어 연료의 농도가 급격히 감소한 후 반응의 종료와 함께 연료는 소진 된다. 반면에 연소생성물의 농도를 살펴보면 연소반응이 이루어지기 이전에는 연료와 산화 제만 존재하기 때문에 연소생성물의 농도는 0 이 되지만 반응영역에서의 급격한 연소반응으로 인해 다양한 연소생성물과 반응기(radicals)가 생성된다.
연료와 공기의 혼합기체는 화염영역에서 온도상승에 의한 체적팽창이 이루어지기 때문에 가스의 속도는 증가하게 된다(Vb). 정상상태일 경우 혼합기체가 소모되는 속도는 화학반응 속도 (연소속도)와 같게 된다.