수소충전소 가스폭발과 화염거동 예측을 위한 CFD해석

Abstract

수소는 연소 후 부산물로 물이 생성되고 오염물질은 생성하지 않는 천연자원으로, 화석연료를 대체할 무공해 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 금속에 대한 부식성과 넓은 범위의(4% ~ 75%) 폭발상하한계를 가지고 있어서 취급이 어려운 자원중 하나에 속한다. 이러한 수소를 안전하게 사용할 수 있도록 하고 수소폭발로 인한 피해를 최소화하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 실제폭발현상을 정확하게 구현하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 이를 위해 수치해석 프로그램인 ANSYS-17.2 CFX를 이용하여 수소충전소의 수소폭발로 인한 건물 내·외부에서 발생하는 화염 및 압력변화를 보다 정확하게 예측하였다. 또한, 이를 이용하여 상부에 환기부가 존재하는 수소충전소와 하부에 환기부가 존재하는 수소충전소를 설계하여 각기 다른 경우의 환기방식을 가지는 수소충전소에서 폭발이 발생했을 때 건물 내부에 발생하는 화염과 온도 및 압력변화의 차이를 비교하는 시뮬레이션을 진행하였다. 이번 수행한 수치해석에서는 폭발거동에 큰 영향을 미치는 점화에너지와 난류연소속도를 다양하게 변경하여 이 값들이 시뮬레이션결과에 어떤 영향을 미치는지 확인하였다. 시뮬레이션과 비교하기 위한 폭발실험을 수행한 선행연구가 이루어진 실험건물의 규격은 4.6m, 4.6m, 3m이며 폭발이 일어났을 때, 내부에 설치된 압력센서를 통해 얻은 값과 시뮬레이션에서 얻은 압력에 대한 비교를 통해 시뮬레이션의 정확성을 판단하였다. 수치해석결과는 점화에너지를 140J로 설정하고 난류연소속도는 0.83m/s로 설정했을 때 실제와 매우 유사한 압력거동을 확인할 수 있었다. 이번 연구의 경우, 희박한 수소/공기 혼합물에 대한 폭발실험을 기반으로 수치해석을 수행한 결과이기 때문에 더욱 확실한 수소폭발 예측을 위해 수치해석을 적용하려면 다양한 지점에서의 점화와 여러 경우의 폭발농도에서의 수소폭발실험과 해석을 비교·검증하여 보안하는 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.