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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.30 No.2 pp.165-175
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2024.30.2.165

Diffusion Characteristics Based on the Gas Leakage Direction and Air Change per Hour in a Enclosed Space on Board a Ship

Seong Min Lee*, Ha Young Kim**, Byeol Kim***, Kwang Il Hwang****†
*M.S. Course, Department of Refrigeration and Air Conditioning Engineering, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea
**M.S. Course, Department of Refrigeration and Air Conditioning Engineering, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea
***Postdoctoral Researcher, Interdisciplinary Major of Maritime AI Convergence, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea
****Professor, Division of Mechanical Engineering, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea

* First Author : zoos147@g.kmou.ac.kr, 051-410-5030


† Corresponding Author : hwangki@kmou.ac.kr, 051-410-4368
March 21, 2024 April 22, 2024 April 26, 2024

Abstract


Hydrogen is being touted as one of the energy sources to combat the climate change crisis. However, hydrogen can leak into enclosed spaces, rise to the ceiling, accumulate, and cause fires and explosions if it encounters an ignition source. In particular, ships that transport hydrogen or use it as a fuel comprise multiple enclosed spaces. Therefore, the diffusion characteristics within these spaces must be understood to ensure the safe use of hydrogen. The purpose of this study is to experimentally determine the diffusion characteristics of helium, which has similar properties to hydrogen, in a closed space on board a ship, and to determine the change in the oxygen concentration along the leakage direction as the air change per hour(ACH) increases to 25, 30, 35, 40, and 45 through CFD simulation. The study, results revealed that the oxygen concentration reduction rate was 2% for leakage in the -z direction and 1% for leakage in the +x and +z directions, and the ventilation time was 15 min 30 s for leakage in the -z direction, 7 min for leakage in the +x direction, and 9 min for leakage in the +z direction, showing that differences existed in the oxygen concentration and ventilation time depending on the leakage direction. In addition, no significant difference was observed in the rate of oxygen concentration reduction and ventilation time in all leakage directions from the ACH of 35 and above in the experimental space. Therefore, because the oxygen concentration and ventilation time were not improved by increasing the ACH, 35 was noted as the optimal ACH in this experimental environment.


Air Change per Hour(ACH) , Helium , Hydrogen , Leakage Direction , Ventilation

밀폐된 선내 공간에서 가스 누출방향과 환기횟수에 따른 확산특성

이성민*, 김하영**, 김별***, 황광일****†
*국립한국해양대학교 냉동공조공학과 석사과정
**국립한국해양대학교 냉동공조공학과 석사과정
***국립한국해양대학교 해양AI융합전공 박사후연구원
****국립한국해양대학교 기계공학부 교수

초록


수소는 기후변화 위기에 대응하기 위한 에너지원 중 하나로 주목받고 있다. 그러나, 수소는 밀폐된 공간에 누출되면 천장으로 상승하여 축적되고, 점화원과 만나면 화재나 폭발의 위험이 있다. 특히, 수소를 운송하거나 연료로 사용하는 선박은 여러 밀폐된 공간으로 구성되어 있기 때문에 수소를 안전하게 사용하기 위해서는 공간 내에서의 확산 특성을 파악해야 한다. 본 연구는 선박 내 밀폐된 공간에서 수소와 유사한 특성을 가진 헬륨의 누출방향에 따른 확산 특성을 실험적으로 파악하고, CFD 시뮬레이션을 통해 환기횟수가 25, 30, 35, 40, 45ACH로 증가함에 따라 누출방향에 따른 산소농도 변화를 파악하는 것이 목적이다. 연구 결과, 산소농도감소율은 -z 방향의 누출이 2%, +x와 +z 방향의 누출이 1%였으며, 환기소요시간은 -z 방향 누출이 15분 30초, +x 방향 누출이 7분, +z 방향 누출이 9분으로 누출방 향에 따라 산소농도와 환기소요시간에 차이가 있음을 보여준다. 또한, 실험공간에서 환기횟수 35ACH 이상부터는 모든 누출 방향에서의 산소농도감소율과 환기소요시간에 유의미한 차이가 없었다. 따라서, 환기횟수를 증가하여도 산소농도와 환기소요시간이 개선되지 않았기 때문에 본 실험환경에서의 적정 환기횟수는 35ACH임을 알 수 있었다


시간당 환기횟수 , 헬륨 , 수소 , 누출 방향 , 환기

    1. 서 론

    화석연료의 사용으로 인한 온실가스 배출은 기후변화 위기의 주요 원인으로 인식되고 있다. 이에 따라 국제사회는 2050년까지 온실가스 배출을 줄이고 탄소중립을 달성하기 위해 노력하고 있다(Lee et al, 2022). 이와 같은 상황에서 신재생에너지는 전 세계적으로 주목받고 있으며, 특히 수소가 큰 관심을 받고 있다. 태양광, 풍력 등과 같은 재생에너지로 생성된 전기는 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있는데, 수소는 사용 과정에서 물과 전기로 되돌아가므로, 다른 에너지에 비해 이산화탄소를 배출하지 않고 무한정 생산할 수 있기 때문이다(MOTIE, 2023).

    그러나, 수소는 무색무취이므로 누출되어도 감지하기 어렵다. 최소 점화 에너지는 0.017 mJ로 매우 낮고, 가연 한계 가 4~75%의 넓은 범위이기 때문에 작은 불꽃이나 전기적 방전에도 쉽게 점화되어 폭발할 위험이 있다(Choe et al., 2022). 또한, 수소는 공기보다 14배 가벼워 개방된 공간에서는 빠르게 확산되어 흩어지지만, 밀폐된 공간에서는 천장으로 빠르게 상승하여 축적된다. 이렇게 축적된 수소는 불꽃이나 정전기 같은 점화원과 만나면 쉽게 연소하거나 폭발할 수 있다. 특히 수소를 운반하거나 연료로 사용하는 선박은 엔진룸, 화물창고, 연료전지실 등 여러 밀폐된 구역으로 구성되어 있어 수소가 누출되면 천장으로 축적되기 쉬워 점화원과 만나 폭발의 위험이 크다(Moon and Kim, 2019). 따라서, 밀폐된 공간에서 수소를 안전하게 사용하기 위해서는 다양한 조건에서의 수소 누출 시 특성을 파악하고, 적절한 환기 방식을 적용하는 것이 중요하다.

    지금까지 수소 누출 특성에 관한 다양한 연구가 수행되었다. 먼저, 수소는 폭발의 위험성이 높기 때문에 안전한 실험을 위해 유사한 물리적 특성을 갖는 헬륨으로 대체하여 수행한 연구 사례가 다수 있었다. Bernard and Deborah(2017)는 누출량, 누출구 직경, 환기구 크기의 다양한 조건에서 실험을 진행하여 수소와 헬륨의 유사성을 확인하였고, He et al.(2016)은 CFD 시뮬레이션을 통해 밀폐된 공간 내 수소와 헬륨 누출 시 유사성에 대해 평가하였다. 이를 참고하여 헬을 사용한 가스 누출실험을 통해 누출 과정을 단계별로 구분한 연구가 있었다. 주차장에 있는 차량의 하부에서 누출되었을 때, Zhao et al.(2021)은 헬륨의 농도를 증가, 안정화, 감소의 3단계로, Xin et al.(2023)은 헬륨 농도가 빠른 증가, 느린 증가, 안정, 감소의 4단계로 구분하여 확산 특성을 설명하였다.

    수소 누출방향에 따른 확산 특성과 관련된 연구로, Zhang et al.(2023)은 CFD를 활용하여 수소버스의 하부와 측면에 설치된 연료전지에서 발생한 누출이 버스 내부로 어떻게 확산 되는지 예측하였다. 이를 통해 측면에서 수평 방향으로 누출된 수소가 하부에서 수직방향으로 누출된 수소보다 더 빠르게 분산된다고 보고하였다.

    한편, 시간당 환기횟수(ACH, Air change per hour)에 따른 수소 누출 특성 연구로, Hwang et al.(2017)은 수소탱크 저장 실에서 누출된 수소를 효과적으로 배출하기 위해 환기횟수를 결정하는 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 환기횟수가 30 ACH에서 60 ACH로 증가할 때는 수소 농도가 1.7%에서 1% 로 감소하였으나, 60 ACH에서 90 ACH로 증가할 때는 수소 농도가 1%에서 0.9%로 감소하는 미미한 차이를 보였기 때문에 적정 환기횟수를 60 ACH로 결정하였다. 이를 통해 환경에 따라 환기횟수가 증가해도 누출된 수소 농도의 차이가 크게 없는 적정 환기횟수를 설정할 수 있다는 결론을 내렸다. Gitushi et al.(2022)은 환기횟수를 0, 15, 30, 45, 60, 75 ACH 로 설정하여 환기횟수가 수소 감지기의 감지능력에 미치는 영향을 연구하였다. 이 연구에서는 환기횟수가 증가함에 따라 수소가 실내에서 빠르게 제거되었으나, 감지기 위치가 누출 지점과 멀어질수록 수소를 감지하기 어려워질 수 있음을 확인하였다.

    앞선 선행연구는 가스 누출 후 환기시스템을 작동하여 누출방향과 환기횟수에 따른 가스 확산 특성을 연구하였으나, 실제 수소가스를 취급하는 일반적인 환경에서는 환기시스템이 지속적으로 작동하고 있다. 이에 환기시스템이 작동 중인 상태에서의 가스 누출과 확산특성을 파악할 필요가 있다. 또한, 선행연구에서는 누출된 가스의 농도를 통해 누출 방향과 환기횟수에 따른 확산 특성을 연구하였다. 그러나, 저인화점연료선박 규칙에 의하면 가스가 누출될 수 있는 공간에서는 산소농도를 지속적으로 모니터링하여 가스 누출로 인해 산소농도가 기준치 이하로 감소할 경우 즉시 경보 시스템을 통해 누출을 감지할 수 있다(Korean Register, 2023). 이에 따라 산소농도를 측정하여 누출방향과 환기횟수에 따른 확산 특성을 파악한 연구는 찾아보기 어렵다.

    이에 본 연구는 선내 밀폐된 공간에서 환기시스템의 지속적인 작동에서의 산소농도 변화를 통해 누출방향과 환기횟수에 따른 확산 특성을 파악함으로써, 누출에 대비하여 수소를 안전하게 사용하고자 한다. 우선 밀폐된 공간에서 수소와 유사한 특성을 가진 헬륨으로 누출방향에 따른 확산 특성을 파악하고, 가스 누출 시 환기횟수에 따른 산소농도 변화를 예측 및 분석하였다.

    2. 누출방향에 따른 실험

    2.1 실험 내용

    2.1.1 실험 장치의 구성

    Fig. 1은 1.2m×1.2m×1.2m 크기의 실험체 외관과 -z(상부), +x(측면), +z(하부) 3개 방향으로 설계된 내경 0.003175m(1/8'') 의 가스 누출구의 위치를 보여준다. 본 실험에서는 덕트 및 송풍기를 연결하는 호스의 설치 공간을 고려하고, 실험공간이 수용할 수 있는 크기에 맞춰 정육면체 형태인 1.2m×1.2m ×1.2m 크기로 실험체를 설계하였다. 가스 누출구 위치는 밀폐된 공간에서 가장 기초적인 가스 누출 시나리오를 모사하기 위해 상부, 측면, 하부의 세 가지 위치에서 가스 누출실 험을 수행하였다. 또한, 급기구는 구역의 하부에 연결되어야 한다는 규정(Hwang et al., 2017)에 따라 실험체 측면 하부에 급기구(Supply air vent)를 설치하였고, 통풍 덕트는 가스 축적의 모든 가능성을 피할 수 있도록 설계 및 배치되어야 한다는 규정(Korean Register, 2023)에 따라 누출된 헬륨 가스가 상승하여 상부에 축적되는 것을 방지하기 위해 상부에 배기구(Exhaust air vent)를 두었다. 내경 0.075m인 급기구와 배기구는 플렉시블 덕트와 송풍기를 통해 외부 공기와 교환할 수 있도록 구성하였다.

    2.1.2 실험 조건 및 방법

    Fig. 2는 산소농도를 측정하기 위해 실험체에 설치한 하부 5개(S1~S5), 중부 3개(S6~S8), 상부 5개(S9~S13)의 센서 위치를 보여준다.

    Table 1은 -z, +x, +z 누출방향에 따른 누출 압력과 유량, 누출 시간, 급기구와 배기구의 환기횟수와 속도를 정리한 것이다. 저인화점연료선박 규칙(Korean Register, 2023)에 따르면 연료준비실에는 시간당 최소 30회 이상의 환기 능력을 갖춘 부압식의 효과적인 기계식 통풍장치가 설치되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 30ACH 환기 조건에서 누출방 향에 따른 확산 특성을 분석하였다.

    본 연구에서는 기본 환기량(Qυent)을 아래 식(1)과 같이 시간당(H) 밀폐된 공간의 체적(Vroom, 1.728 m3)에 대해 환기횟수 30ACH가 되는 공기량으로 설정하였다. 이에 따라 환기량은 51.84 [m3/h]가 된다.

    Q υ e n t = 30 V r o o m / H [ m 3 / h ]
    (1)

    또한, 급기구와 배기구의 속도(υυent)는 환기량(Qυent)이 1초당 급기구와 배기구의 면적(Aυent, 0.00442 m2)을 통해 공기가 유입, 유출되는 속도이므로 이를 계산하면 3.3 m/s이다.

    기계식 환기시스템이 상시 작동하는 가운데, 실험은 헬륨을 특정(-z 혹은, +x 혹은, +z) 방향으로 누출시키면서 시작하였다. 헬륨의 누출로 인해 산소농도가 점차 감소하였고, 산소농도가 변화하지 않고 일정 농도를 유지하면 누출을 중단하였다. 이후 상시 작동되고 있던 환기에 의해 산소농도는 증가하였고, 누출시작시점 0초 때의 산소농도까지 회복되면 실험을 종료하였다. 이 전체 과정을 하나의 싸이클로 정의 하였으며, 본 실험에서는 모든 누출방향에 대해 누출 시간이 1,200초가 소요되었고, 한 싸이클의 평균 소요 시간이 2,130초였다.

    본 연구에서는 실험계획법(DOE)에 의해 실험은 2회 이상 실시하여 얻어지는 결과가 신뢰성을 높일 수 있다는 사실 (Anderson, 2017)에 의거하여 실제 실험에서 데이터가 수치적으로 동일한 결과가 반복적으로 나오면 실험을 종료하였다. 이에 따라 대부분의 경우 유사한 결과가 3~4회 실시하였을 때이므로 Fig. 3에서 보여주는 것처럼 4회 실험을 수행하였고, 실험의 반복성을 검증하기 위해 실험 결과값의 표준편차를 평균으로 나눈 변동계수(CV%)로 반복성을 평가하였다. 산소농도감소율과 환기소요시간의 변동계수는 각각 18%, 4%로, 변동계수의 허용 범위를 정하는 Kish 기준에 따르면 20% 이하는 허용 가능한 범위이므로 실험의 반복성은 양호 하다고 판단할 수 있다(Freeman, 1966). 실험과정에서 반복 측정된 4개 산소농도변화 구간의 평균값과 비교하여 1번째 구간은 0.15%, 2번째 구간은 0.04%, 3번째 구간은 0.004%, 4번째 구간은 0.17%였기 때문에 2.2절의 실험 결과 및 분석에서는 3번째 구간을 대표로 선정하여 기술하였다.

    2.2 실험 결과

    2.2.1 누출방향에 따른 공간 전체 특성

    본 연구에서 산소농도감소율(OCR )을 아래 식(2)와 같이 누출시작시점인 0초의 산소농도(OC0)와 누출한 지 t초의 산소농도(OCt) 간의 차이로 정의하였으며, 환기소요시간은 누출종료시점인 1,200초에서의 산소농도가 누출시작시점인 0초의 산소농도로 회복되는데 필요한 시간으로 정의하였다.

    O C R = ( O C 0 − O C t ) O C 0 × 100 [ % ]
    (2)

    누출방향별 산소농도감소율과 환기소요시간은 Table 2에 정리하였다. 또한, Fig. 4는 누출방향별 시간에 따른 산소농도 변화를 보여주며, 시각별 산소농도는 실험공간에 설치된 13개 센서의 평균값으로 나타내었으며, 누출과 환기로 인한 산소농도 변화는 총 3단계로 구분하여 분석하였다.

    Stage 1은 누출 시작 후 산소농도가 급격히 감소하는 구간이다. 헬륨 누출시작시점 0초부터 60초까지(Stage 1-1)는 세 방향 모두 0.2%의 산소농도감소율을 보여주었다. 60초부터 480초까지(Stage 1-2)는 -z 방향의 가스 누출이 1.5%, 다른 두 방향이 1%의 산소농도감소율을 보여주었다. Stage 1에서 -z 방향의 가스 누출이 다른 두 방향에 비해 1.5배 더 급격히 산소농도가 감소하였다. 이는 -z 방향으로 누출했을 때, 공간 내부에 축적되는 헬륨이 가장 많다는 의미이다.

    Stage 2는 헬륨 누출이 계속되어도 산소농도가 일정 범위 내에서 유지되는 구간으로, 초록 원 표시는 산소농도가 안정화되기 시작하는 시점을 나타낸다. -z 방향의 가스 누출은 900초, +z와 +x 방향의 가스 누출은 480초 이후부터 누출종 료시점 1,200초까지 산소농도가 거의 변화하지 않았다. Fig. 4를 통해 -z 방향 누출의 산소농도는 누출이 시작된 후 900초까지 19.7%로 감소하여 누출종료까지 산소농도감소율은 2%였다. 반면, +z, +x 방향 가스 누출의 산소농도는 480초 이 후 누출종료까지 변화가 없었기 때문에 산소농도감소율은 1%였다. -z 방향 가스 누출은 +z와 +x 방향 누출에 비해 산소농도감소율이 2배 더 높았다. 이는 누출과 환기의 방향을 누출방향별로 나타낸 Fig. 5를 통해 설명될 수 있다. 본 실험체의 환기시스템이 측면 하부에서 급기되어 상부로 배기되는 구조임을 고려할 때, -z 방향의 가스 누출은 아래 방향으로 누출되어 환기와는 대향류의 흐름을 보여주는 반면, +x 방향의 가스 누출은 측면에서 반대쪽 측면 방향으로 이동한 후 상승하고, +z 방향의 가스 누출은 위로 향하기 때문에 환기와 평행류 흐름의 관계를 갖게 된다. 이러한 흐름의 차이는 -z 방향 누출이 +x와 +z 방향 누출보다는 공간 내에 헬륨이 더 오랫동안 머물기 때문에 헬륨의 농도가 증가하는, 즉 산소농도가 많이 감소한 것으로 분석된다. 따라서, 누출량이 같아도 헬륨이 체류하는 시간에 따라 작동되고 있던 환기에 의한 산소농도의 변화는 달라질 수 있다.

    Stage 3은 누출이 종료된 후 신선한 외기의 공급으로 누출 시작시점인 0초 때의 산소농도로 회복되는 구간이다. Table 2와 같이 누출방향에 따른 환기소요시간은 -z 방향 누출에서 15분 30초, +x 방향 누출에서 7분, +z 방향 누출에서 9분이었다. -z 방향의 산소농도감소율이 다른 두 방향에 비해 컸으므로 환기소요시간도 더 소요되었다. 반면, +x와 +z 방향 누출은 산소농도감소율이 1%로 같았는데, 환기소요시간은 +x 방향의 누출이 +z 방향의 누출보다 2분 더 짧았다. 이러한 차이는 전체 공간에서의 산소농도감소율은 같았지만, 공간의 높이에 따라 산소농도가 감소하는 양상이 다를 수 있을 것으로 예상된다. 즉, +x 방향의 누출이 +z 방향보다 환기가 더 잘 될 수 있도록 공간 내 헬륨이 분포해 있을 가능성이 있음을 시사한다. 이에 대한 구체적인 분석은 2.2.2 절을 통해 파악할 수 있을 것으로 예상된다.

    2.2.2 누출방향에 따른 공간 높이별 특성

    시간에 따른 산소농도 변화는 Fig. 6과 같이, (a) 상부 5개, (b) 중부 3개, (c) 하부 5개 센서의 평균값으로 나타내었다. Table 3은 누출방향에 따른 공간 높이별 산소농도감소율을 정리한 표이다. 누출종료시점인 1,200초에서의 산소농도감소 율이 -z 방향의 가스 누출은 중부가 하부와 상부보다 높았고, +x 방향 가스 누출은 중부와 상부가 하부보다 높았으며, +z 방향 가스 누출은 하부, 중부, 상부 모두 같았다.

    이는 -z 방향의 가스 누출은 위에서 아래로 이동하여 급 기구를 통해 유입된 공기와 만나 상승하여 배기구로 배출된다. 이 과정에서 중부와 상부를 두 번 거치게 되는데, 상부에는 배기구가 위치하기 때문에 중부가 하부와 상부보다 산소농도가 많이 감소하였다. +x 방향의 가스 누출은 측면 중부에서 누출된 가스가 반대쪽 측면으로 이동 후, 배기구로 배출된다. 이 과정에서 누출된 가스가 중부와 상부를 거쳐 환기되므로 상부와 중부가 하부보다 산소농도가 많이 감소하였다. +z 방향의 가스 누출은 아래에서 위로 올라가 상부에 위치한 배기구로 즉시 가스가 배출되므로 하부, 중부, 상부 상관없이 산소농도 변화가 동일한 것으로 분석된다.

    2.2.3 환기횟수 변화에 따른 실험 결과

    전술한 바와 같이 본 연구에서는 기본적으로 규정을 참조하여 30ACH의 환기횟수로 수행하였으나, 앞선 실험결과에서 다른 방향에 비해 산소농도감소율과 환기소요시간이 많이 소요된 -z 방향의 가스 누출에 대해 환기횟수를 35ACH로 늘린 실험을 수행하여 산소농도감소율과 환기소요시간의 변화를 비교분석하였다.

    -z 방향의 누출 조건에서 30ACH와 35ACH의 환기횟수로 수행한 실험의 산소농도 변화를 Fig. 7에 함께 나타내었다. 환기횟수가 30ACH에서 35ACH로 증가함에 따라, Stage 2에서 초록 원으로 표시된 것처럼 산소농도가 안정화되는 시간이 900초에서 480초로 감소하였고, 누출종료 시점인 1,200초에서의 산소농도가 19.7%에서 19.9%로 증가하여 두 환기횟 수 간의 산소농도감소율 차이는 1%였다. 또한, 환기소요시간도 15분 30초에서 5분으로 감소하였다. 이를 통해 환기횟수가 증가함에 따라 산소농도감소율과 환기소요시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

    3. 누출방향에 따른 CFD

    3.1 CFD 이론과 조건

    실험을 통해 -z 방향의 가스 누출에서 환기횟수를 30ACH 에서 35ACH로 증가함에 따라 산소농도감소율과 환기소요시간이 줄어드는 것을 확인하였다. 이에 다른 누출방향에서도 환기횟수 증감에 따른 산소농도와 환기소요시간의 변화를 CFD 시뮬레이션으로 확인하고자 한다. 본 연구에서는 Ansys Fluent(ver 21.1)을 사용하여 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저, CFD 시뮬레이션 기법의 타당성을 검증하기 위해 누출 방향에 대해 30ACH의 환기횟수로 실험한 결과와 CFD 시뮬 레이션 결과를 비교하여 유사성을 평가하였다. 이후 검증된 방법으로 환기횟수 증감에 따라 산소농도와 환기소요시간에 변화가 있는지를 파악하였다.

    3.1.1 지배방정식

    유체의 흐름과 열전달을 수학적으로 표현하기 위한 지배 방정식은 연속방정식(3), 운동량 방정식(4), 에너지방정식(5) 을, 가스의 확산 특성을 해석하기 위해서는 화학종 수송 방정식(6)을 이용하였다(Abbas et al., 2020).

    ϑ ρ ϑ t + ∇   ·   ( ρ u ) = 0
    (3)

    ϑ ( ρ u ) ϑ t + ∇   ·   ( ρ u u ) = − ∇ p + ∇   ·   τ   + S M
    (4)

    ϑ ( ρ h t ) ϑ t − ϑ p ϑ t + ∇   ·   ( ρ u h t ) = ∇   ·   ( λ ∇ T ) + ∇   ·   ( τ   ·   u ) + u   ·   S M + S E
    (5)

    ϑ ( ρ X H 2 ) ϑ t + ∇   ·   ( ρ u X H 2 ) = ∇   ·   ( ( ρ D ϕ + μ t S C t ) ∇ X H 2 ) + S ϕ
    (6)

    여기서 ρ는 밀도, ∇는 구배 연산자, t는 시간, u는 속도 벡터, p는 압력, τ는 전단응력, SM은 운동량 생성항, ht는 총 엔탈피, λ는 열전도도, T는 온도, SE는 에너지 생성항, X H 2 는 수소 농도, μt는 난류 점성 계수, S C t 는 난류 슈미트 수, Sϕ는 소스항이다.

    3.1.2 난류모델링

    본 연구에서는 밀폐된 공간의 난류 영향을 고려하기 위해 Realizable k-∈ model을 사용하였다. 이 모델을 선택한 이유는 난류 흐름의 비정상적인 행동을 방지하고, 복잡한 흐름에서 더 나은 결과를 보여주기 때문이다. Realizable k-∈ model의 방정식은 식(7), (8), (9), (10)과 같다(Sun et al., 2020;Kikukawa, 2008).

    ϑ ( ρ k ) ϑ t + ϑ ( ρ k u i ) ϑ x i = ϑ ϑ x j [ ( μ + μ t σ k ) ϑ k ϑ x j ] + P k − ρ ∈
    (7)

    ϑ ( ρ ∈ ) ϑ t + ϑ ( ρ ∈ u i ) ϑ x i = ϑ ϑ x j [ ( μ + μ t σ ∈ ) ϑ ∈ ϑ x j ] + C 1 ∈ ∈ k P k − C 2 ∈ ρ ∈ 2 k + υ ∈
    (8)

    μ t = ρ C μ k 2 ∈ f μ
    (9)

    C μ = 1 A 0 + A 1 k U i ∈ x i
    (10)

    여기서 Pk는 난류 운동 에너지의 생성항이고, μt는 난류 점성 계수, fμ는 실현 가능성 조건을 만족시키는 보정 함수, A0와 A1은 상수, Ui와 xi은 흐름의 특성 속도와 길이이다. 또한, Realizable k-∈ model의 상수들은 σk = 1.0, σ∈ = 1.2, C1∈ = 1.44, C2∈ = 1.9, A0 = 4.04, A1 = 0.038의 값을 나타낸다.

    3.1.3 CFD 경계조건

    Table 4는 CFD 시뮬레이션에 활용된 경계조건을 나타낸 것이다. 급기구와 배기구의 속도는 환기횟수 25ACH, 35ACH, 40ACH, 45ACH을 식(1)에 대입해 산정된 2.7 [m/s], 3.8 [m/s], 4.4 [m/s], 4.9 [m/s]로 설정하였다.

    3.1.4 격자 의존성 테스트

    Ansys mesh 프로그램을 이용하여 누출구와 급기구, 배기구에 Hexcore type을 적용하여 Fig. 8과 같이 격자를 생성하였고(Hwang et al., 2017), 격자의 신뢰도를 검증하기 위해 격자 의존도 테스트를 수행하였다. Fig. 9는 환기횟수 30ACH 조건 일 때, +z 방향으로 누출될 때의 격자수와 실험 결과를 시간에 따른 산소농도 변화로 비교한 결과이며, 산소농도는 공간 전체에 설치된 13개 센서의 평균값을 의미한다. 누출종료 시점인 1,200초에서의 산소농도 차이는 실험 결과와 비교하여 격자수 484,171개는 0.3%, 832,296개는 0.26%, 1,175,005개 는 0.15%, 즉 Fig. 9에 보이는 것처럼 격자수를 늘릴수록 실험 결과와 서서히 일치해져 간다. 이에 본 연구에서는 실험 결과와 가장 유사한 수치해석 결과를 보여준 격자수 1,175,005개를 기준으로 CFD 시뮬레이션을 수행하였다.

    3.2 누출방향별 환기횟수에 따른 결과

    3.2.1 누출방향에 따른 수치해석 예측·성능·검증

    Fig. 10은 누출방향에 따른 실험과 CFD 결과를 비교한 그래프이며, (a)는 -z 방향의 가스 누출 시 30ACH와 35ACH의 환기횟수로, (b)는 +x 방향, (c)는 +z 방향의 가스 누출 시 30ACH의 환기횟수로 수행한 결과를 보여준다. 실험과 CFD 결과의 오차율은 산소농도가 가장 차이가 많이 나는 구간을 기준으로 Table 5에 나타내었다. 오차율은 -z 방향으로 가스 누출할 때, 환기횟수 30ACH가 0.24%, 35ACH가 0.17%이고, +x 방향으로 가스 누출할 때, 환기횟수 30ACH가 0.3%, +z 방향으로 가스 누출할 때, 환기횟수 30ACH가 0.25%이므로 모든 누출방향에서 실험과 CFD 결과가 0.3% 이내의 매우 유사한 모습임을 확인할 수 있다.

    3.2.2 환기횟수에 따른 수치해석 결과

    Fig. 11에는 -z, +x, +z 누출방향별로 25ACH, 30ACH, 35ACH, 40ACH, 45ACH의 환기횟수에 따른 수치해석 결과를 나타내었다. 먼저, (a) -z 방향의 가스 누출은 환기횟수가 25ACH, 30ACH에서 노란 박스에 보이는 것과 같이 누출을 시작한 지 900초 이후, 35ACH, 40ACH, 45ACH에서는 노란 원에 보이는 것처럼 660초 이후에 안정화되었다. (b) +x와 (c) +z 방향의 가스 누출은 25ACH, 30ACH에서 노란 박스에 보이는 것과 같이 480초 이후였지만, 35ACH, 40ACH, 45ACH에서 노란 원에 보이는 것처럼 300초 이후부터 안정화되었다.

    Table 6은 환기횟수 간의 차이를 보여주는 것으로, 누출방 향별 누출종료 시점인 1,200초에서 이전 환기횟수(x)의 산소농도( OCx )와 다음 환기횟수(x + 5)의 산소농도(OCx + 5) 간의 차이(OCRACH)를 식(11)로 계산한 결과이다.

    O C R A C H = ( O C x + 5 − O C x ) O C x + 5 × 100 [ % ]
    (11)

    Table 6에서 알 수 있는 것처럼 모든 조건에서 35ACH와 40ACH 격차가 40ACH와 45ACH 격차와 유사하였기 때문에 35ACH부터는 환기횟수 증가로 인해 산소농도 변화에 유의미한 차이가 없다고 판단할 수 있다.

    4. 결론 및 고찰

    4.1 결론

    본 연구는 선박 내에서 수소를 안전하게 사용하기 위해 누출방향에 따른 확산 특성을 파악하고, 환기횟수 증감에 따른 산소농도 변화를 확인하는 것을 목적으로 수행되었다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.

    • (1) 모든 누출방향에서 Stage 1부터 Stage 3까지의 3단계로 구분할 수 있다. Stage 1에서는 누출로 인해 산소농도가 감소하였으나, Stage 2에서는 누출이 계속되어도 산소농도가 일정 수준에서 안정화되었으며, Stage 3에서는 누출종료 후 환기로 인해 산소농도가 급격히 증가하여 초기 농도로 회복되었다.

    • (2) 산소농도감소율이 누출과 환기가 대향류로 흐르는 -z 방향의 누출이 공간 내 헬륨이 머무르는 시간이 길어서 다른 두 방향에 비해 2배나 높았다. 환기소요시간은 -z 방향 누출이 15분 30초, +x 방향 누출이 7분, +z 방향누출이 9분이 걸렸다. 산소농도가 많이 감소할수록 환기에 더 많은 시간이 소요되었다.

    • (3) 누출방향에 따른 산소농도 변화를 공간 높이별로 파악할 수 있다. -z 방향의 가스 누출은 중부가 하부와 상부보다 높았고, +x 방향 누출은 중부와 상부가 하부보다 높았으며, +z 방향의 가스 누출은 하부, 중부, 상부 관계없이 동일하였다.

    • (4) 모든 누출방향에서 환기횟수가 증가할수록 산소농도감소율이 점차 감소하였다. 본 실험체의 경우에는 환기횟수가 35 ACH 이상일 때는 산소농도감소율이나 환기소요 시간에 유의미한 변화가 없었다. 즉, 본 실험환경에서의 적정 환기횟수는 35ACH임을 알 수 있었다.

    4.2 고찰

    본 연구는 선내 밀폐된 공간에서 가스 누출방향에 따른 확산 특성을 파악하기 위한 초기 단계의 연구이다. 그러나, 연구에서 사용된 실험체가 실제 선박의 밀폐된 공간을 반영하지 못하였기 때문에 본 연구 결과만으로 환기횟수와 안전 대책을 제안하기에는 한계가 있다. 따라서, 선박의 연료전지 실과 같은 실제 선내 밀폐된 공간에서의 추가적인 가스 누출실험을 통해 최적의 환기횟수를 제안하고, 실질적인 안전 지침을 개발하는 연구가 필요하다.

    또한, 본 연구는 고정된 공간에서 수행되었으나, 실제 선박은 3개의 직선운동과 3개의 회전운동, 총 6가지의 운동을 한다. 그 중에서 회전운동인 횡요(Rolling), 종요(Pitching), 선수동요(Yawing)와 같은 다양한 동적 환경에서의 운동 상태를 고려할 필요가 있다(Ibrahim and Grace, 2010). 향후 연구에서는 선박의 움직임을 고려하여 누출 방향에 따른 확산 특성을 실험적으로 파악하고, CFD 시뮬레이션을 통해 운동에 따른 내부 산소농도 변화를 분석할 계획이다. 이러한 연구는 선박 내에서 수소 사용의 안전성을 높이고, 실제 운항 상황에서의 누출에 대한 위험을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.

    Figure

    KOSOMES-30-2-165_F1.gif

    Experiment geometry

    KOSOMES-30-2-165_F2.gif

    Sensor position.

    KOSOMES-30-2-165_F3.gif

    Validation of experimental repetition.

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    Changes in oxygen concentration by leakage direction.

    KOSOMES-30-2-165_F5.gif

    Leakage and ventilation flow.

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    Change in oxygen concentration according to leakage direction by space height.

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    Changes in oxygen concentration according to 30 and 35ACH when leaking in -z direction

    KOSOMES-30-2-165_F8.gif

    Computational mesh.

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    Changes in oxygen concentration according to the number of grids when leaking in the +z direction.

    KOSOMES-30-2-165_F10.gif

    Comparison of experimental and CFD results according to leak direction.

    KOSOMES-30-2-165_F11.gif

    Results of CFD according to ACH by leakage direction.

    Table

    Experiment conditions

    Oxygen concentration reduction rate and ventilation time by leakage direction

    Oxygen concentration reduction rate at 1,200 seconds by space height according to leakage direction

    CFD Boundary conditions

    Experiments and CFD percent error rate

    Difference in oxygen concentration between ACH by leak direction

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