컨테이너선 개방갑판구역 화재진압을 위한 관통형 분사장치의 최적설계에 관한 연구

Abstract

SOLAS협약에서 2016년 1월 1일 이후 건조되는 개방갑판구역에 컨테이너를 5단 이상 적재하는 선박은 컨테이너 화재진압을 위하여 Water Mist Lance 및 Mobile Water Monitor를 의무적으로 비치하도록 규정하였다.

본 연구에서는 Water Mist Lance 및 Mobile Water Monitor 소화장치에 대하여 수치해석을 통해 최적의 모델을 선정하고 해석결과를 바탕으로 실험장치를 제작, 성능실험을 실시하는 연구를 수행하였다.

Water Mist Lance는 끝이 창(槍)처럼 뾰족한 노즐을 컨테이너 벽면을 관통하여 화재가 발생한 내부에 물을 분사하는 소화장치로 첨단부분의 곡률반경이 설계의 핵심사항이다. 본 연구에서는 첨단곡률반경이 다른 5가지 모델(10mm, 12.5mm, 15mm, 17.5mm, 20mm)에 대하여 ANSYS LS-DYNA를 이용해 관통해석을 실시하였다.

해석결과 15mm가 최적의 모델로 해석되었고, Water Mist Lance를 제작하여 성능실험을 실시하였다. 성능실험 결과, 컨테이너 벽면 관통 성능과 유량계수(K) 30, 분사량 67ℓ/min, 분사거리 6m의 성능을 확인할 수 있었다.

SOLAS협약에서 요구하고 있는 성능기준을 만족하는 Mobile Water Monitor 연구를 위해 사용압력별 Nozzle Orifice 범위설정, Nozzle에서 토출되는 물의 채널을 균일하게 하는 정류격자 길이 설정 및 물에 의한 Mobile Water Monitor의 구조안전성에 대하여 수치해석을 실시하고, 실험 장치를 제작하여 성능실험을 실시하였다.

첫째로, Nozzle은 관통형 Nozzle을 적용하여 최적의 Nozzle Orifice 범위를 ANSYS WorkBench를 사용하여 해석하였다. 해석결과, Nozzle Orifice 크기는 사용압력 4bar에서 29mm, 5bar에서 27mm, 6bar에서 25mm, 7bar에서 24mm, 8bar에서 23mm, 9bar에서 22mm로 계산되었다.

둘째로, 분사각도 35°와 90°에서 정류격자 길이 3cm, 4cm, 5cm에 대해 최대 분사거리를 ANSYS FLUENT를 통해 해석하였다. 물의 체적분율을 기준으로 분사거리를 해석한 결과 약 1 ~ 2m의 영역에서 구배가 형성되어 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 최대 분사거리는 정류격자 길이 4cm에서 47m로 계산되었다.

마지막으로 Mobile Water Monitor의 관로부와 지지부에 대한 유동-구조 연성해석을 ANSYS WorkBench를 사용하여 수행하였다. 해석결과 소화수의 분사압력 및 반력으로 인해 변형과 응력이 발생하지만 허용범위 이내였다.

해석결과를 바탕으로 실험장치를 제작하여 성능실험을 실시하였고, 그 결과 Mobile Water Monitor 입구압력 4bar, 분사각도 33.8°에서 분사량 62.7㎥/h, 분사거리 41m를 얻을 수 있었다.

본 논문을 통해 연구된 화재진압용 소화장치는 본선 소화펌프의 용량 증가를 최소화 할 수 있다는 점에서 신조되는 선박의 소화장치로서 활용가치가 높을 것으로 기대되며, 향후 해상 및 육상의 수계 소화장치 개선 연구에도 도움이 될 것으로 판단된다.