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Combustion & Fire Dynamics Lab., Daejeon Univ.Combustion & Fire Dynamics Lab., Daejeon Univ.

화재전산코드민감도및불확실도분석

원자력발전소의다중구획에서화재특성예측을위한

FDS & CFAST 검증

대전대학교 소방방재학과

제 4회원전화재방호워크샵한국원자력안전기술원/원자력안전위원회

2013.10.17

황철홍


Introduction (I) 원전 화재방호분야의 화재모델링 적용 타당성 확보 노력

•

•

•

원전화재의 위험성

•

•

•

NFPA 805 (2001)

•

•

미국 원자력규제위원회(NRC)와 전력연구소(EPRI)를중심으로 화재모델링을 통한 안전성 평가 적합성 및 타당성 확보


Introduction (II) 원전 구획화재 .vs. 일반 구획화재 구획화재의 공통적 인자

• Compartment geometry

• Fuel type & distribution

• Ventilation level

주요 변수

• HRR• Smoke & Temp.• Concentration• Heat flux

비교 관심결과• Fire Dynamics• Smoke propagation• Heat transfer• Evacuation

화재특성 및

안정성 평가

원전 대상 구획화재 연구의 필요성

•

•

• 밀폐도가 매우 높아, 화재 지속시간 동안 환기부족 화재도달 가능성 높음.

• 자연배기가 아닌, Mechanical ventilation system을 통한 공기 순환 방식 적용.


Introduction (III) 원전 구획화재 .vs. 일반 구획화재

Fig. Comparison of averagd 2-D plots between nuclear-type multi-compartment and iso-9705 room for under-ventilated fires


Introduction (IV) Review of PRISME Project (화재실증실험 국제공동연구) Experimental studies on fires in confined and ventilated nuclear-type multi-

compartments

PRISME Door Test

•

•

•

•

•

•


연구목표

PRISME Door 실험 중 과환기(PRS_D3) 및 환기부족(PRS_D1)에 대한 화재모델 비교.

실험의 Combined uncertainty에 대한 예측 불확실도 평가

주요 수치 및 물리적 입력변수에 대한 민감도 분석.

FDS를 이용한 화재모델링의 주의점

Objective and contents

원전의 다중 구획에서 대표적 화재모델인 FDS와 CFAST의 예측성능 비교

연구내용


Description of Experimental Method (I) Geometry for the PRISME door test

•

•


Description of Experimental Method (II) Experimental conditions

• Fuel Mechanical ventilation system (PRS_D1)

TestArea ofpool fire

(m2)

Inlet flow rate(m3/h)

[Room 1 / 2]

Outlet flow rate(m3/h)

[Room 1 / 2]

VentilationRenewal rate (h-1)

[Room 1 / 2]

FireCondition

PRS_D3 0.4 0/0 0/0 0/0 Over-ventilated fire

PRS_D1 0.4 570/560 570/560 4.75/4.70 Under-ventilated fire


Description of Experimental Method (III)Measurements

•

•

•

•

Measured quantities Total 289 measurements


Description of Numerical Method (FDS) FDS (Fire Dynamics Simulator)

FDS version 5.5.3, SVN 7031

유한체적법 (Finite Volume Method)

공간에 대하여 2차 정확도의 중간 차분법

시간적분에 대해서는 2차 정확도의 Explicit Predict-Corrector 기법

LES 기법 적용, 유동 아격자 모델로는 Original Smagorinsky 에디점성 모델

국부소염과 CO의 생성/소멸을 고려하기 위하여 3단계 혼합분율 모델


Description of Numerical Model (CFAST) CFAST(Consolidated model of Fire growth And Smoke Transport)

CFAST version 6.2.0

고온 상층부와 저온 하층부의 균일한 물성치의 가정을 기반으로 하는 대표적 Zone model

경계면을 지나는 열 및 질량유속을 고려한 Zero-dimensional code.

압력, 연층 높이, 상하부 층의 온도는 초기값 문제의 상미분 방정식의 해를 통해 얻어짐.

구획 상∙하부의 가스층 온도, 연층 높이, 가스농도, 목표물의 온도 및 스프링클러 포함.

Equation set used in CFAST


FDS

Strategies for Fire Modeling (I) Boundary condition for fire source

Fig. Ideal heat release rate for over- and under-ventilated fires

CFAST


FDS

Strategies for Fire Modeling (II) Boundary condition for mechanical ventilation system

Fig. Volume flow rates in the inlet and exhaust ducts for over- and under-ventilated fires

CFAST


FDS

Strategies for Fire Modeling (III)Additional setting for FDS and CFAST

CFAST Species

Extinction model for FDS


Grid Sensitivity Analysis (I) General estimation of grid resolution using D*

Characteristics fire diameter

2/5

*

p

QDc T g

*0.05 / 0.10D Reference range:

Test Max.HRR (kW) Min. (cm) Max. (cm)

PRS_D1 600 0.782 3.91 7.82

PRS_D3 600 0.782 3.91 7.82

PRS_D5 1500 1.127 5.64 11.27

10~20 grids


Grid Sensitivity Analysis (II) For PRS_D3

Fig. Grid sensitivity analysis through comparisons of gas and wall temperatures.

•

• 구조물 및 측정 위치의 grid matching을 고려하여 최종 격자크기는 10cm 결정

• 총 적용된 격자 수는 80만개, Total CPU Time=12.7 hour


Results and Discussion

원자력발전소다중구획에서화재모델 (FDS .vs. CFAST) 비교검토


Validations of FDS and CFAST (I) Upper layer temperature and smoke layer height for over-ventilated fire


Validations of FDS and CFAST (II)Major species (O2, CO2, CO) for over-ventilated fire


Validations of FDS and CFAST (III) Upper layer temperature and smoke layer height for under-ventilated fire


Validations of FDS and CFAST (IV)Major species (O2, CO2, CO) for under-ventilated fire


Validations of FDS and CFAST (V) FDS를 이용한 원전화재 모델링 최적화

과환기 화재조건

•

•

•

환기부족 화재조건

•

•

•


Validations of FDS and CFAST (VI) CFAST를 이용한 원전화재 모델링 최적화

과환기 화재조건

•

•

•

환기부족 화재조건

•

•

•

•

주의점


Uncertainty Analysis of FDS

Over-ventilated fire Under-ventilated fire


Uncertainty Analysis of CFAST

Over-ventilated fire Under-ventilated fire


Sensitivity Analyses of Numerical Input Parameters

Radiation angles

Fig. Gas temperature with time from ignition for different radiation angles and Cs in under-ventilated fire.

Cs

Under-ventilated Fire using FDS


Sensitivity Analyses of Numerical Input Parameters

Turbulent Prandtl number

Fig. Gas temperature with time from ignition for different turbulent Prandtlnumber Prt and Schmidt number Sct in under-ventilated fire.

Turbulent Schmidt number


Thermal conductivity: Mass diffusivity:


Sensitivity Analysis of Physical Input Parameter

Heat Release Rate (HRR)

Fig. Gas temperature and O2 volume fraction with time from ignition for different HRR in under-ventilated fire.



Sensitivity of Model Results to Uncertainty in HRR

For uncertainty of 15% in HRR based on empirical correlation

NUREG-1824



Over-ventilated fire using FDS



Under-ventilated fire using FDS



FDS에서 발열량 15% 변화에 따른 물리량의 예측 불확실도



Over-ventilated fire using CFAST



Under-ventilated fire using CFAST



CFAST에서 발열량 15% 변화에 따른 물리량의 불확실도


Conclusions 강제환기가 적용된 원전의 다중구획 화재실증실험을 대상으로 과환기 및 환기부족

화재에 대한 화재모델 (FDS 및 CFAST)의 예측정확도 대한 비교 검토가 수행되었으

며, 주요 결과는 다음과 같다.

정확한 화원정보, 경계조건 및 소화조건이 제공된 FDS는 과환기 및 환기부족의 모든 조건에

서 실험측정 불확실도 범위 내에서 온도, 연층 높이, 열유속 및 농도를 매우 정확히 예측하

고 있다. CFAST의 경우, 고온 상층부 온도, 농도를 약 10% 범위 내에서 적절히 예측하고 있

으나, 연층의 높이는 전반적으로 낮은 예측결과를 보이고 있다.

FDS의 입력 불확실도 분석을 통해 수치적 입력변수 Radiation angle, Cs, Prt, Sct 등은 수치

해에 큰 영향을 주지 않으며, 물리적 입력변수인 발열량이 가장 큰 영향을 주고 있다.

발열량 불확실도에 대한 모델 결과의 변화량은 기존에 경험식(NUREG-1824)을 통해 추측

되고 있다. FDS의 경우 과환기 조건은 기존 이론과 유사한 경향을 보이지만, 환기부족화재

에서 농도는 매우 큰 차이를 보이고 있다. CFAST의 경우 모든 조건에서 연층 높이 및 농도

의 발열량 의존도는 NUREG-1824와 큰 차이를 보이고 있다.


FDS 활용시주의점

격자크기 선정을 위한 특성화재직경(D*) 사용의 주의

벽면의 열적 물성치에 따른 내부 온도 변화에 주의


FDS 활용시주의점화재(연기 및 열)감지기 적용 시 주요 물성치 입력정보의 부재

Soot yield 입력에 따른 수치 결과 해석의 주의


FDS 활용시주의점

FDS version에 따른 결과의 차이 주의 FDS 5.1.6 .vs. FDS 5.5.3 : 온도, 열유속, CO, CO2의 약 10%의 차이 발생

수치 불안정성은 최근 버전에서 더욱 높게 발생됨.

화원 근처의 구획 바닥면의 온도 측정 불확실성 온도 측정 시 노츨 비드형과 흡입식 열전대의 최대 250% 상대 오차 발생

특히 화원근처의 바닥 면에서 주로 발생.

화원의 입력정보로 후드 측정 발열량 .vs. 질량소모율에 따른 차이 FDS 내의 불완전 연소에 의한 발열량 예측에 미세한 오류

계산 예측향상을 위해서는 발열량, 실질적 예측 정확도 판단을 위해서는 질량소모율

MPI를 이용한 병렬계산 시 경계영역 설정에 따른 오차 화원 및 개구부 근처에서 영역분할이 이루어질 대 추가적인 오차 발생

또한 수치 불안정성 증가


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