1. 서 론

화석연료의 사용은 많은 양의 이산화탄소(CO₂) 배출을 야 기시키고 있다. CO₂는 대표적인 온실가스(GHG)이며 GHG의 큰 비중을 차지하고 있다. 해운 분야에서 발생되는 GHG의 배출량은 전 세계 GHG 배출량의 약 3 ~ 5 %를 차지하고 있 으며 글로벌 경제에서 차지하는 비중이 커짐에 따라 오염물 질의 배출은 더욱 심각해질 것이다(Miola et al., 2010). 그래서 국제해운 분야의 탄소제로배출(Zero Emission) 달성을 위해서 는 선박용 연료로 사용되는 에너지원의 전환이 필요하다.

친환경 선박에 사용되는 대체연료로는 LPG, LNG, 암모니 아, 바이오디젤, 수소 등이 있다. 특히 수소는 1970년 이후 GHG 무배출과 에너지 효율의 이점으로 인해 재생 가능한 자원으로 여겨져 왔다. 그리고 수소는 최소 점화 에너지가 0.02 mJ로 낮고, 가연 하한계(LFL)는 4 ~ 75 %, 폭발 하한계 (LEL)는 18~59 %로 공기 중에 포함된 농도에 따라 폭발에 대 한 잠재적 가능성이 다른 기체에 비해 매우 크다(Borman and Ragland, 1998). 선박의 대체연료로 수소가 사용될 경우, 누 출․확산으로 인한 큰 피해가 발생할 수 있으므로 다른 선 박에 비하여 더 높은 안전성이 요구된다.

수소의 누출․확산에 관한 연구는 주로 실험적 연구와 수 치적 시뮬레이션의 비교 분석을 통해 이루어져 왔다. 수소 의 누출․확산에 관한 실제 실험은 높은 안전성 및 고비용 문제로 인하여 쉽게 이루어지지 않았다. 그에 비해 컴퓨터 를 기반으로 한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)은 다양한 상용 소프트웨어인 FLACS, FLUENT, CFX, STAR-CD, PHOENICS 등을 사용하여 수소의 유동 특성을 연 구하는 데 활용되고 있다.

누출 수소의 유동 특성에 관한 연구로는 FLUENT를 사용 하여 주거용 차고 내에서 수소의 누출 위치, 누출 속도, 누 출 시간 및 수소 농도 간의 관계를 조사하였다(Hajji et al., 2015). 밀폐된 환경에서 수소의 누출 위치와 유량에 따른 수 소 확산 현상을 연구하였고, 누출 수소의 확산이 누출 위치 보다 유량에 더 큰 영향을 받는다고 분석하였다(Stefano et al., 2019). 자연 환기와 강제 환기가 되는 부분적으로 열린 공간에서의 수소 확산 및 축적을 수치적으로 계산하였으며 비정상적 환기에 따른 와류 구조를 나타내었다(Matsuura, 2009). 4가지 코드(ADREA-HF, CFX, FLACS 및 FLUENT)를 사 용하여 차고지 내부에 있는 누출 수소의 수치적 농도와 실 험 측정값을 비교하여 수소 연료 차량을 주차하기 위한 환 기 요구 사항을 제시하였다(Papanikolou et al., 2010). 수소 연 료 전지가 설치된 밀폐공간에서 누출 수소의 환기 효율을 높이기 위하여 통풍구의 위치 및 환기 방식에 대해 조사하 였다(Cerchiara et al., 2011).

한편 해운 및 조선 분야에서도 수소 누출․확산에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 국․내외적으로 수소연 료전지시스템을 소형 선박에 적용(Park and Youn, 2014)하거 나 여객선에 적용(Li et al., 2018)하는 실증적 연구가 진행되 고 있다. 해양에 고립된 선박에서 수소 누출로 인한 폭발사 고가 발생하면 막대한 인명과 재산뿐만 아니라 심각한 해양 오염 사고도 발생할 수 있기 때문이다. 그래서 선박에 설치 된 수소탱크 저장실과 같은 밀폐공간 내에서의 수소 누출과 환기에 관한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다.

본 연구는 선박용 수소탱크 저장실의 최적 환기에 관한 수치해석적 연구(Lee, 2022)의 후속 연구로서 급․배기구의 면적 변화가 환기 성능에 미치는 영향을 CFD 상용 소프트웨 어를 이용하여 수치해석 하였다.

2. 지배방정식

시스템 내부의 혼합물(공기+수소)인 유체 흐름의 수치해석 을 위하여 지배방정식은 연속방정식(continuity equation), 운동 량 방정식(momentum equation) 에너지 방정식(energy equation) 을 이용하였다(Afghan Haji Abbas et al., 2020). 그리고 수소의 확산 특성을 해석하기 위하여 화학종 수송 방정식(species transport equation)을 이용하였으며, 난류 모델은 Launder and Spalding(1974)의 Standard k - ε 모델을 사용하였다.

여기에서 ρ는 밀도,∇는 구배 연산자, u는 속도 벡터, p 는 압력, τ는 전단응력, S_M은 운동량 생성항, h_t는 총엔탈피, λ는 열전도도, T는 온도, S_E는 에너지 생성항, X H 2 는 수소 농도, μ_t 는 난류 점성 계수, S C t 는 난류 슈미트(Schmidt) 수, S _Φ 는 소스항이다.

수치해석에 사용한 CFX 코드의 Standard k - ε 모델에서 사 용된 경험 상수는 Table 1에서 제시하였다(ANSYS Inc, 2018a).

3. 수치해석

3.1 수치해석 모델

본 연구에서는 260톤급 선박 내부에 수소탱크 저장실이 설치된 것을 수치해석 모델로 채택하였으며, 모델이 되는 선박의 크기는 인천항만공사에서 운영 중인 에코누리호를 기준으로 하였다. 이 선박을 모델로 선정한 이유는 수소연 료전지 추진 방식이 대형선에 적용되기 전에 중․소형 관공 선에 적용하여 실험적․실증적 검증이 가능할 것으로 예측 하였기 때문이다.

Fig. 1은 수치해석의 대상이 되는 수소탱크 저장실의 기 하학적 형태를 나타낸 것이다. 수소탱크 저장실의 크기는 5,280 mm(W) × 8,980 mm(L) × 3,800 mm(H)이고, 용적은 약 180 m³ 이며 저장실 내부에 수소탱크가 설치된 형태로 구성하였다.

Fig. 2는 누출 가능성이 높은 임의의 누출부 6곳(TL 1~ TL 6)이 표시된 수소탱크(20 m³)를 나타낸 것이다. 수소의 누 출 가능성이 가장 높은 부분은 탱크의 셀(shell)과 헤드(head) 의 용접부나 탱크와 연결된 배관부이다. 수소탱크 저장실의 천장 정점각(Ceil Angle, CA)은 선박의 구조상 캠버(camber)를 고려하여 평면(180°)이 아닌 177.7°로 하였다. 그리고 급·배 기구의 크기는 1A(1A') = 740 mm × 740 mm의 정사각형으로 하여 저장실의 표면에서 위치를 다양하게 변경 및 설정할 수 있도록 하였다.

3.2 경계 조건

수소탱크 저장실 내부의 유동 특성에 영향을 주는 요인으 로 누출부의 위치, 누출량, 급․배기구의 위치, 통풍량, 통풍 면적, 환기 방식 등이 있다(Hwang et al., 2017). 급·배기구의 위치, 통풍량, 환기 방식에 따른 환기 성능은 (Lee, 2022)에서 상세히 설명하고 있다.

본 연구에서는 환기 성능에 영향을 미치는 많은 요인 중 에서 급·배기구의 면적에 따른 환기 성능에 초점을 두고 수치해석을 수행하였다.

환기 성능에 영향을 미치는 요인을 급·배기구의 면적 변 화에 대한 것으로 제한하기 위하여 유입되는 공기의 속도는 비율적으로 감소 또는 증가시켰다. 즉, 급기구 면적이 1A, 2A, 3A 및 5A일 때 유속은 각각 0.91 m/s, 0.455 m/s, 0.303 m/s 및 0.182 m/s로 변경하였으며, 배기구 면적이 증가할수록 환 기량을 일정하게 유지하기 위하여 유입 공기 속도를 비율적 으로 증가시켰다.

한국선급(KR)의 ‘선박용 연료전지 시스템 지침(2015)’에서 는 “급기구는 구역의 하부에 연결되어 있어야 하며 수소가 존재할 가능성이 있는 연료전지구역은 상부에 장애가 될 만 한 구조물이 없어야 한다.”라고 규정하고 있다. 이러한 규정 에 근거하여 Table 2와 같이 경계 조건을 설정하였다.

수소가 탱크에서 누출되는 총시간은 최초 누출 시점을 0s로 하고 누출 종료 시점을 1,000s로 설정하였다. 시간이 흐름에 따라 계산되는 해는 잔차 목표치(residual target)를 RMS(Root Mean Square) 10^-5로 설정하여 반복 계산된 후 저장 실 내의 누출 수소 몰분율(Hydrogen Mole Fraction, HMF)이 일 정해지면 수렴한 것으로 간주하였다(Hwang et al., 2018).

3.3 격자 생성과 격자 독립성 검증

수치해석에 사용된 CFD 상용 소프트웨어는 ANSYS CFX ver. 18.1이며, 광범위한 압축·비압축성 및 층류·난류의 유 동 분석을 하는데 포괄적인 모델링 기능을 제시하는 것이 특징이다. 격자(grid)는 ANSYS Meshing 프로그램으로서 생성 하였고, 계산의 정확성과 계산 시간 단축을 위하여 수소 누 출 영역 근처와 벽면만을 국부적으로 조밀하게 생성하였다.

Fig. 3은 계산 영역(computational domain) 내에 정렬 격자인 육면체(hexahedral) 및 비정렬 격자인 프리즘(prism) 형태를 사 용하여 생성된 격자를 나타낸 것이다.

벽면 근처의 유동 특성을 잘 모사하기 위하여 프리즘 층 (prism layer)은 5개 층으로 생성하였고, 해석의 신뢰도를 높 이기 위하여 격자 품질 상태를 확인한 후에 계산을 수행하 였다. 격자 품질(mesh quality)은 수치적 계산 결과에 있어서 매우 큰 영향을 미친다. 격자 품질을 확인하는 항목 중에서 Skewness와 Orthogonal Quality를 기준으로 하였으며 일반적으 로 최대의 Skewness는 0.95 이하, 최소의 Orthogonal Quality는 0.15 이상을 추천하고 있다(ANSYS Inc, 2018b). 격자 품질을 확인하는 이유는 좋지 않은 품질의 격자는 수치해석 결과의 수렴성에 영향을 주기 때문이다.

격자수에 따른 계산 결과의 오차를 줄이기 위하여 격자 독립성(mesh independence)을 검증하였다. 격자 독립성은 계 산 결과의 차이가 생기지 않는 범위 내에서의 격자수와 관 련이 있다. 이에 대한 검증은 수소탱크 저장실 내에 유동 속 도의 변화가 큰 임의의 누출점을 TL 1로 설정하여 TL 1에 서의 평균 속도 분포의 차이가 없는 격자수를 파악하고자 하 였다. 격자수는 생성된 총 노드(nodes)수를 기준으로 Node-Ⅰ (1,491,666), Node-Ⅱ(2,443,214), Node-Ⅲ(3,892,722)으로 설정하 였다.

Fig. 4는 노드 수에 따른 TL 1에서의 평균 속도 분포를 나 타낸 것이다. TL 1에서의 평균 속도는 200s 이후에 Node-Ⅱ 와 Node-Ⅲ만이 1 % 이하로 거의 차이가 없었다. 따라서 격 자 생성 및 계산 시간을 줄이기 위하여 Node-Ⅱ를 기준으로 약 240만 개 격자를 생성하여 수치해석을 수행하였다.

4. 해석 결과

4.1 급기구 면적 변화에 따른 환기 성능

Lee(2022)에서 A=177.7°일 때, 환기 성능이 가장 낮은 것은 누출부가 TL 5이고 배기구는 Vent-2 위치였다. 환기 성능이 가장 낮은 누출부 및 배기구를 선정한 후, 급기구 면적 변화 가 환기 성능에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

Fig. 5는 배기구를 Vent-2로 고정하였고, 급기구가 위치한 영역을 In-A와 In-B로 한 수소탱크 저장실을 나타낸 것이다. 급기구 면적은 1A(1A'), 2A(2A'), 3A(3A'), 5A(5A')로 변경할 수 있도록 설정하였다.

Fig. 6은 급기구 면적 변화에 따라 수소탱크 저장실 내의 누출수소 평균 몰분율을 나타낸 것이다. 급기구 면적이 증 가함에 따라 수소탱크 저장실 내에 누출 수소의 평균 몰분 율은 시간이 경과함에 따라 감소할 것으로 예측하였다. 그 결과 급기구 In-A 영역에서 급기구 면적을 1A에서 5A로 증 가시켰을 때 누출 수소 평균 몰분율이 약 30 % 감소하였으 며, In-B에서는 약 25 % 감소하였다.

누출 수소의 평균 몰분율의 감소 폭은 In-A의 경우, 1A에 서 2A로 될 때 약 21 %였으며, ln-B의 경우는 약 19 %로 나타 났다. 이는 급기구 면적이 증가할수록 저장실 내의 누출 수 소 농도가 낮아지는 것을 의미하며, 급기구 면적을 1A에서 2A로 변경할 때 가장 높은 환기 성능을 나타내었다. 즉, 급 기구로 유입되는 공기량의 증가 없이 급기구 면적을 증가시 키는 것만으로도 환기 성능을 개선할 수 있다는 것이다.

TL 5는 저장실 바닥 면을 마주 보는 수소탱크 표면의 중 앙에 위치하여 바닥 면 근처로 유입되는 공기의 영향을 많 이 받는 누출부이다. 특히 TL 5에서 누출된 수소는 탱크 표 면을 따라 천장 면으로 일부 확산되고, 일부는 유입된 공기 의 유동과 함께 Vent-2로 배출이 원활하게 이루어지는 것을 확인하였다.

급기구 영역 In-A, In-B에 따라서도 수소 농도의 차이가 생기므로 급기구의 위치와 저장실 내부 구조물의 배치도 환 기 성능에 영향을 미칠 수 있다고 판단하였다. 급․배기구 가 같은 측벽에 설치된 경우가 서로 마주 보는 형태로 설치 된 경우보다 더 높은 환기 성능을 나타낸 것(Lee, 2022)과 결 과가 유사하였다. 이는 저장실 내부 구조물의 형상이나 위 치도 환기 성능에 영향을 미치는 요인이 될 수 있다는 것을 의미한다. 또 저장실의 하부에 급기구가 설치되는 경우, 급 기구 근처는 유동이 충분히 형성될 수 있도록 수소탱크와 같은 구조물의 위치도 변경하는 것이 필요하다는 것이다.

Fig. 7은 급기구 면적 변화에 따른 저장실 내의 속도 분포 를 수평 단면에 나타낸 것이다. 급기구 면적이 증가할수록 급기구 근처는 낮은 속도 분포가 형성되는 것으로 나타났 다. 그 이유는 급기구 면적이 증가하면 유입 공기의 속도가 비율적으로 낮아지기 때문이다. 그리고 저장실 내부를 유동 하면서 속도가 느려졌다가 급기구에 비해 상대적으로 좁은 배기구로 배출되면서 약간 높은 속도 분포를 나타내었다.

특히 Fig. 7(a)는 급기구가 1개인 경우로서 배기구가 설치 된 측벽 모서리 부분에 상대적으로 높은 압력 분포가 형성 되는 것을 확인하였다. 그 외에는 급기구 및 배기구 근처를 제외하고는 높은 압력이 형성되지 않았다. 따라서 급기구를 구역의 하부에 설치할 때에는 급기구의 면적을 최소 2A 이 상 되도록 고려해야 한다.

4.2 배기구 면적 변화에 따른 환기 성능

배기구 면적 변화에 따른 환기 성능은 급기의 유속을 0.91 m/s 로 일정하게 유지하고, 배기구 위치 및 면적을 변화시켜 수 치해석 하였다. Fig. 8은 급기구를 각각 Inlet-1, Inlet-2로 설정 하고, 배기구가 위치한 영역을 Vn-A와 Vn-B로 한 수소탱크 저장실을 나타낸 것이다. 배기구 면적은 급기구와 동일하게 1A(1A')부터 5A(5A')까지 변경할 수 있도록 설정하였다.

Fig. 9는 배기구 면적 변화에 따라 수소탱크 저장실 내의 누출수소 평균 몰분율을 나타낸 것이다. Fig. 6과 비교해 볼 때 배기구 면적이 증가하는 경우는 수소탱크 저장실 내 누 출 수소 평균 몰분율의 감소 폭이 크지 않았고 대체로 비슷 한 농도를 나타내었다. 그리고 급·배기구가 서로 마주 보 는 측벽에 설치된 형태와의 비교에서도 누출 수소의 농도 차이는 무시할 수 있는 정도로 낮게 나타났다.

2A에서 3A로 면적이 증가할 때에는 농도가 약간 증가하 였다. 이 결과를 토대로 배기구 면적을 증가시키는 것만으 로는 환기 성능을 높일 수 없다고 판단하였다. 또, 배기구 면적에 비해 급기의 유속 또는 급기구의 위치 및 면적이 환 기 성능에 더 큰 영향을 미치는 요인이라고 판단하였다.

4.3 급기구 면적 변화에 따른 수소 층화

밀폐공간에 수소가 누출된 후에 배출되지 않으면 수소 농 도는 LFL를 초과하여 0.15 ~ 0.16에 빠르게 도달하게 된다. 그 리고 수소의 물리적 특성으로 인하여 전체 구획으로 층화되 면 화재의 위험성이 높아지게 된다(Dadashzadeh et al., 2016). 그러나 확산 및 부력에 의해 천장으로 상승한 누출 수소는 천장 면 가까이 설치된 배기구로 배출되면서 LFL이 낮아지 게 된다. 이는 배기구가 있는 것만으로도 저장실 내부의 LFL 범위를 벗어날 수 있다는 것이다.

Fig. 10은 수소탱크 저장실 내의 급기구 면적 변화에 따른 누출된 수소의 층화(straitification)를 나타낸 것이다. Fig. 10(a) 에서는 누출 수소가 수소탱크 표면을 따라 천장부로 빠르게 확산하여 천장 면에 가장 높은 농도를 나타내었다. 그리고 일부는 배기구로 배출되어 배기구 근처가 옅은 수소층을 형 성하고 있었으며, 저장실 전체에 수소 층화가 두드러지게 나타났다. 그러나 Figs. 10(b) ~ 10(d)와 같이 급기구 면적이 증 가할수록 누출 수소의 층화가 저장실 내의 상부부터 균일하 게 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 수소탱크의 하부는 농 도가 가장 높을 때 붉을 색을 나타내는 누출부의 근처를 제 외하고는 농도가 LFL을 벗어나 있었다. 이는 급기구 면적 증가가 수소탱크 하부로 유입되는 공기 유동 면적을 증가시 키는 요인으로 작용하여 단일 급기구에 비하여 농도가 낮게 나는 것으로 판단하였다.

4.4 배기구 면적 변화에 따른 수소 층화

Fig. 11은 급기구를 In-A, Inlet-1으로 일정하게 유지하고 배 기구를 Vn-B에서 각각 1A'에서 5A'까지 변화시켜 배기구가 설 치된 측벽의 수직 단면에 수소 몰분율 분포를 나타낸 것이다.

저장실 내부는 수소 층화가 형성되었지만, 누출부 및 누 출부 상부 천장의 일부 영역을 제외하고는 저장실 내부는 LFL을 벗어나 있었다.

수소 층화는 크게 세 개의 영역으로 구분할 수 있는데, 수 소 농도가 가장 높은 상부 영역, 중간 농도 또는 농도층 두 께가 얇은 중간 영역 및 농도가 가장 옅은 지면 근처의 영역 이 있다(Hajji et al., 2014).

Fig. 11(a)에서는 천장 면에 가까운 영역에 농도가 높은 층 이 오른쪽 측벽 쪽으로 높게 나타나는 것을 확인하였다. 이 는 단일 급기구로 유입된 공기가 수소탱크 하부를 지나 배 기구 쪽으로 유동하면서 전부 배출되지 않고, 일부 혼합물 이 측벽 모서리 영역에 정체되었기 때문이다.

Fig. 11(b)에서는 2개의 배기구가 측벽에 대칭적으로 설치 되어 있어서 상부 영역의 고농도 층이 균일한 층으로 형성 되었다.

Fig. 11(c)에서는 배기구가 설치된 측벽의 천장 근처 양쪽 모서리 영역에 고농도 층이 두껍게 형성되었다. 이는 배기 구로 배출되지 못한 일부 혼합물이 벽면과의 마찰로 인하여 와류가 생기고 정체 영역이 발생하였기 때문이다. 그리고 배기구의 왼쪽 측벽 쪽으로 중간 농도층이 바닥 면까지 형 성되어 있는 것을 확인하였다.

Fig. 11(d)에서는 배기구 근처의 고농도 층은 가장 얇게 형 성되어 있었고, 중간 농도층이 배기구의 오른쪽 측벽 쪽으 로 더 넓게 분포되어 바닥 면까지 형성되는 것을 확인하였 다. 이러한 분석 결과를 토대로 배기구 면적의 증가는 환기 성능에 미치는 영향이 미비한 것으로 판단하였다. 이는 Fig. 9에서 제시한 것과 동일한 결과를 나타내고 있다. 따라서 단 순히 배기구 면적을 증가시키는 것만으로는 환기 성능 향상 에 큰 효과가 없었다. 급·배기구의 위치 및 급·배기의 유 속에 따른 내부 유동이 환기 성능에 더 큰 영향을 주는 요인 이라고 분석되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 수소탱크 저장실 내에 설치된 급․배기구 의 면적 변화가 환기 성능에 미치는 영향에 대하여 CFD 상 용 소프트웨어인 ANSYS CFX ver. 18.1을 이용하여 수치해석 을 수행하였다. 그 결과 수치해석 모델과 경계 조건에 따라 해석한 결론은 다음과 같았다.