한국전산유체공학회지제 15 권, 제 2 호, pp.47-54, 2010. 6 / 47 터널내수소연료자동차의수소누설로인한수소확산에대한수치해석연구 안혁진, 1 정재혁, 1 허남건, *2 이문규, 3 용기중 4 THE NUMERICAL SIMULATION OF HYDROGEN DIFFUSION FOR THE HYDROGEN LEAKAGE IN TUNNEL Hyuk Jin Ahn, 1 Jae Hyuk Jung, 1 Nahmkeon Hur, *2 Moon Kyu Lee 3 and Geejoong Yong 4 In the present study, a numerical simulation for the diffusion of hydrogen leakage of FCV(Fuel Cell Vehicle) in a tunnel was performed to aid the assessment of risk in case of leakage accident. The temporal and spatial distributions of the hydrogen concentration around FCV are predicted from the present numerical analyses. Flammable region of 4-74% and explosive region of 18-59% hydrogen by volume was identified from the present results. Factors influencing the diffusion of the hydrogen jet were examined to evaluate the effectiveness of tunnel ventilation system for relieving the accumulation of the leaked hydrogen gas. The distribution of the concentration of the leaked hydrogen for various cases can be used as a database in various applications for the hydrogen safety. Key Words : 수소누설 (Hydrogen Leakage), 수소확산 (Hydrogen Diffusion), 전산유체역학 (CFD, Computational Fluid Dynamics), 강제환기 (Forced Ventilation) 1. 서론 최근화석에너지의고갈과환경문제로인하여재생가능한에너지원의개발이각광을받고있으며, 단위질량당높은발열량을갖고에너지확보가용이한수소에너지가주목을받고있다. 수소는연소시, 큰열량을방출하면서연소생성물로써물과소량의질소산화물만을배출하므로매우강력하면서도깨끗한에너지원이다. 이로인해, 자동차의화석연료의대체에너지로써수소연료는효용가치가높다. 또한, 1986년몬트리올의정서가발표된이래, 각국의환경관련경접수일 : 2010 년 3 월 5 일, 수정일 : 2010 년 6 월 8 일, 게재확정일 : 2010 년 6 월 11 일. 1 정회원, 서강대학교대학원기계공학과 2 종신회원, 서강대학교기계공학과 3 서강대학교기계공학과 4 교통안전공단자동차성능연구소 * Corresponding author, E-mail: nhur@sogang.ac.kr 각심이고조되어왔고, 최근미국의캘리포니아주를비롯한여러주에서는무공해자동차와저공해자동차의무판매를포함한자동차배기가스규제를입법화하고있는실정이다. 수소연료는이산화탄소를비롯한공해물질발생을감소시키고, 에너지효율성을향상시키는등의장점을가지고있지만, 가연범위및폭발범위가넓고폭발화염전파속도가매우빠른가연성가스이기때문에, 제조, 수송, 저장시누출, 확산, 점화및폭발등의위험성을갖고있다. 수소로인한폭발사고는통상 15 30배정도로그피해규모가가중되고치명적인인적손실및경제적손실을초래한다. 따라서수소연료자동차에대한안전성확보수준은현재운행중인화석연료자동차와동일한수준의안전성을확보하여야하며, 수소연료전지자동차는현재내연기관자동차와달리고압또는액화수소를사용함으로인해수소가스위험성에대한안전성확보설계기술이확보되어야한다. 수소연료를안전하게활용하기위해서는다양한사고사례를분석함으로써, 수소연료차량의안전성을평가하고사고예방기술개발등과같은정성적, 정량적안전기술개발이필요하다. 특히, 터널의경우
48 / 한국전산유체공학회지안혁진 정재혁 허남건 이문규 용기중 Fig. 2 Schematic diagram of the CFD simulation for the hydrogen diffusion with two jet fan and cyclic boundary condition Fig. 3 Geometry of fuel cell vehicle and leakage nozzle Fig. 1 Analysis model for Doon-ne tunnel including the jet fan and fuel cell vehicle 긴종횡비를갖는형상적인특성으로인하여수소누설시배출이어렵고, 기존터널내설계되어있는환기장치및대피장치와의상호작용에의해수소가한곳에정체될수있는위험성을내포하고있다. 따라서터널내수소누설로인한가스확산에대한연구는수소차안정성확보를위하여필요하다. 수소연료차량의수소가스누설로인한안전성평가에있어, 실험적인연구는밀폐및개방공간에서수소연료차량에서누설되는수소의분포와이로인한폭발및화재에대한위험성여부를파악할수있다. 그러나수소가스는폭발범위가넓고화염전파가빠르기때문에순간적으로큰인명및재산피해를가져올수있다. 이로인해, 실험을수행하기전에철저한실험설계를요하게된다. 최근, 전산유체역학 (CFD, Computational Fluid Dynamics) 의발전으로, 복잡한유동현상을컴퓨터시뮬레이션을통하여시스템을해석하고설계를개선하는사례들이늘어나고있다. 수소연료차량의수소누설로인한수소확산에대한수치해석연구도활발히진행되고있으며, 전산유체역학에의한 3차원시뮬레이션에의하여설계를미리검토하면안전성뿐만아니라시간및비용을절감할수있다. 수소연료자동차의안전성평가에있어수치해석연구는반드시수행되어야하며, 이로부터얻은결과는수소연료차량안전성평가실험에활용될수있고, 안전기준 및평가기술확보에사용될수있다. Vudumu et al.[1] 은사고로인한수소누설시수소의연소가능성을고려한연속적인수소섞임현상에대한수치적인연구를수행하였다. 각각폐쇄, 반개방, 개방된원통형형상에대하여수소의확산에대한수치해석을수행함으로써시간에따른수소의폭발가능범위에대한결과를도출하였다. Kai Kang[2] 은밀폐공간에서장애물로인한화재에서터널임계환기속도 (critical ventilation velocity) 에대한연구를수행하였으며, 터널내임계환기속도에대한수치적인연구를위하여화재모델로는 VHMS모델과 PDF모델을사용하였다. 수치해석을통하여화재유동특성및 CO 2 농도분포에대한결과를얻을수있었으며, 이와같은수치해석결과를통하여화재강도와터널임계유속에대한상관식을도출할수있었다. 또한, Olivier Vauquelin[3] 는터널내화재시연기제어에대한실험적인연구로써, 화재로인한공기유동과오염물질을각각횡류식 (transverse) 방식과종류식 (longitudinal) 방식에의하여환기되는것을공기와헬륨의가시화하였다. 축소터널모델에대하여공기와헬륨을화재로인한오염물질로가정하여터널에주입하여레이저를사용하여연기유동을가시화하였으며, 역류가발생하지않는임계환기속도에대한상관식을얻을수있었다. 본연구실의선행연구로써안혁진등 [4] 은수소누설실험장치에대한수치해석을수행하여밀폐공간내에서다양한환기조건에대한수소누설시수소의거동및농도의분포에대하여연구하였다.
터널내수소연료자동차의수소누설로인한수소확산에대한수치해석연구제 15 권, 제 2 호, 2010. 6 / 49 본연구에서는터널내부공간에서수소연료자동차의수소누설로인한수소확산현상에대해수치해석적으로연구를수행하고자한다. 수치해석을통해터널내수소분포를예측하고, 해석결과는터널내수소누설에대한실험설계의기본자료로사용될수있다. 또한, 본연구의결과는수소안정성평가의기본자료로사용될수있을것이다. 2.1 해석대상및해석조건 Case Case I : Position of FCV Case II : Jet fan velocity Case III : Leakage rate 2. 수치해석 본연구에서는둔내터널에대해여터널내수소연료자동차의수소누설시수소확산에대한연구를수행하였다. Fig. 1과같이총길이가 3300 m에달하는전체터널영역중제트팬 2개의간격인 360 m 구간에대해격자를생성하였으며 Fig. 2와같이긴터널로가정하기위하여터널양끝경계면에대하여주기경계조건을설정하였다. 터널및차량벽면등의노즐입구를제외한그외의형상에대해서는벽법칙을적용한 no-slip wall 조건을설정하였다. Fig. 3은차량의형상을나타낸것으로수소누설노즐은차량바닥에위치한다. 터널내수소차량의위치및수소누설정도와환기속도와같은환경변화에따른해석을수행함으로써, 수소누설특성을파악하고자한다. 수행한해석조건은수소연료자동차의위치및환기조건에따라다음과같이분류하였으며 Table 1에나타내었다. Ⅰ. 수소연료자동차의위치에따른해석케이스 Ⅱ. 터널내제연팬의속도에따른해석케이스 Ⅲ. 수소누설유량에따른해석케이스 2.2 수치해석방법 수소연료자동차의안전성평가를위한수소누설현상에 Table 1 Analysis case Position of FCV Jet fan velocity Leakage rate middle 30 m/s Q 3/4 30 m/s Q under 30 m/s Q middle 0 m/s Q middle 10 m/s Q middle 20 m/s Q middle 30 m/s Q middle 40 m/s Q middle 30 m/s 0.5Q middle 30 m/s 1.0Q middle 30 m/s 1.5Q 대한수치해석을수행하기위해서는유체의유동및가스의거동을고려하여야한다. 본연구에서는이와같은유체의유동및가스의거동을고려하기위해서, STAR-CD V4.08[5] 을이용하여, 비정상상태질량보존방정식과운동량보존방정식을사용하였다. 또한수소의거동을모사하기위해스칼라수송방정식을사용하였다. 둔내터널에대하여경우터널내차량의위치, 터널내환기속도, 차량의누설유량에따라해석케이스를구성하였다. 터널내차량의위치에따른해석조건은 Fig. 1와같이터널내제트팬의간격 (L) 을기준으로 2L(360 m) 의해석영역에대하여수소연료자동차가각각제트팬의아래와제트팬의중간에위치할경우에대하여해석을수행한다. 제트팬의간격은환기시설설계기준 [6] 에따라 180m로하였으며, 정상가동속도를 30 m/s로하였다. 수소가누설되면제트팬은가동되기시작하며가동시작후 1분후정상가동속도에도달한다고가정하였으며이러한제트팬의가동조건을모사하기위해사용자부프로그램을사용하여제트팬이설치되는공간에시간에따른모멘텀소스를입력하였다. 5 cm x 5 cm 의노즐에서수소유입유량은 131 L/min 이다. 터널내환기속도에따른해석조건은터널내수소연료차량이제트팬의중간에위치하고있을때제트팬의환기속도가 0, 10, 20, 30, 40 m/s에대하여해석을수행한다. 또한차량의누설유량에따른해석조건은수소연료차량이제트팬의중간에위치할때제트팬속도가 30 m/s에서기본누설유량을 131 L/min(=Q) 으로하였을경우누설유량이 0.5Q, 1.0Q, 1.5Q에대하여해석을수행한다. 이와같은수치해석을수행하기위해상용코드인 STAR-CD V4.08을이용하였다. 일반적으로수소가누설되는곳의유동을정확히모사하기위해서는압축성유동해석이필요하지만본연구에서는누설되는지점을입구경계조건으로설정하여실제계산상에서는압축성유동해석이필요치않다. 그러나낮은유속의유동에서는압축성유동으로해석한결과가비압축성유동해석의결과와크게상이하지않으며, 추후의다양한연구를위하여압축성난류유동으로가정하여계산하였고 High Reynolds 난류모델을이용하였다. 해석영역에대한해석격자는 2,809,775개의 Polyhedral 격자로구성되었으며, STAR-CCM+ V3.06을사용하여격자를생성하였다. 연구실에서보유하고있는 AMD Opteron 2.4GHz 64CPUs 리눅스클러스터를사용하여계산을수행하였으며, 하나의해석케이스에대하여약 3일의시간이소요되었다. 2.3 지배방정식수소누설시험장치를포함한해석영역내유동에대한질량보존방정식 (Continuity equation) 과운동량보존방정식
50 / 한국전산유체공학회지안혁진 정재혁 허남건 이문규 용기중 Location 1: in the middle of the jet fans Location 2: near the front jet fan Location 3: under the front jet fan Fig. 4 Analysis cases for simulations of influence of vehicle location with jet fan Fig. 6 Hydrogen concentration and flammable region (Case I: location 2) Fig. 5 Hydrogen concentration and flammable region (Case I: location 1) (Momentum equation) 은다음과같다 [5]. (1) Fig. 7 Hydrogen concentration and flammable region (Case I: location 3) (2) 여기서, 는시간, 는유속, 는밀도, 는응력텐서, 는압력을나타내며, 우변의마지막항은기체간밀도차에 의한부력으로 는 방향의중력을, 는기준밀도를의미한다. 또한수소누설에의한수소확산현상을수치적으로모사하기위한스칼라수송방정식 (Scalar transport equation) 은다음과같다.
터널내수소연료자동차의수소누설로인한수소확산에대한수치해석연구제 15 권, 제 2 호, 2010. 6 / 51 (a) middle point (b) 3/4 point (a) Hydrogen concentration of each locations (c) under the fan Fig. 8 Velocity distribution around the FCV (30 sec) (3) (b) Hydrogen concentration with the passage of time Fig. 9 The graphs of hydrogen concentration (middle point) 여기서, 는질량분율 (Mass fraction), 는 방향으로확산되는확산플럭스를의미한다. 난류유동에서확산플럭스는다음과같은식으로표현된다. (4) 여기서, 은 j방향의확산속도 ( ), 는질량분율의맥동, 는속도의맥동을의미한다. 3. 해석결과 3.1 터널내차량위치에따른해석결과터널내수소누설차량의정차시제트팬과차량간의상대위치에따른환기효과에대하여조사하기위하여 Fig. 4와같은세가지차량위치에대한수치해석을수행하였다. Fig. 5-7은둔내터널에서수소연료차량이두제트팬의중간에위치하였을경우, 3/4 지점에위치하였을경우그리고제트팬의
52 / 한국전산유체공학회지안혁진 정재혁 허남건 이문규 용기중 Fig. 10 Hydrogen concentration and flammable region (Case II: jet fan velocity = 0 m/s) Fig. 11 Hydrogen concentration and flammable region (Case II: jet fan velocity = 10 m/s) Fig. 12 Hydrogen concentration and flammable region (Case II: jet fan velocity = 20 m/s) Fig. 13 Hydrogen concentration and flammable region (Case II: jet fan velocity = 40 m/s) 아래에위치하였을경우에대하여제트팬의속도가 30 m/s이고, 수소누설유량이 131 L/min일때, 시간에따른수소연료차량의바닥에서의수소농도를도시한것이다. 평상시제트팬가동에의해형성된터널내기류에의하여노즐로부터누설된수소가기류를타고차량의진행방향으로분포한다. 수소의가연영역은노즐부근에존재하고있으나시간에따라그범위가크게확산되지않는데, 이는유동장에의해수소농도가희석되기때문이다. 공기와의밀도차에의한수소의부력으로인하여, 차량바닥으로부터누설된수소가차량바닥을타고기류에의해차량의진행방향으로분포한다.
터널내수소연료자동차의수소누설로인한수소확산에대한수치해석연구제 15 권, 제 2 호, 2010. 6 / 53 b) 10 sec Fig. 14 Hydrogen concentration and flammable region (Case III: leakage rate = 0.5Q) Fig. 15 Hydrogen concentration and flammable region (Case III: leakage rate = 1.5Q) Fig. 8은수직단면에서의차량주위속도분포를나타낸다. 그림에서볼수있듯이터널상부에위치한제트팬과차량의상대적인위치에따라차량상부의유동분포는약간씩차이가있으나수소가누설되고있는차량하부는차량위치에따른차이가크지않으며전반적으로제트팬에의해바람이불어나가는방향으로유동장이형성된다. 따라서터널내차량의위치에따른유동장의분포에는큰차이가없으며, 수소의확산경향이위치에따라크게영향받지않음을알수있다. Fig. 9는노즐중심에대하여각각거리와시간에따른수소농도를도시한그래프이다. Fig. 9(a) 에서수소농도는기류에의해차량전면방향으로퍼지는것을알수있으며노즐에서멀어질수록농도가낮아진다. 또한수소의농도가 4% 이상이되는가연영역은수소가누설되는노즐근처일부영역에서만나타나는것을확인할수있다. Fig. 9(b) 에서각위치별시간에따른수소농도의변화를나타내었으며노즐이위치한곳에서의수소농도가가장높으며누설초기시간에따라높아지던수소의농도는약 30초가지난이후부터일정한농도를유지함을확인할수있다. 3.2 터널내환기속도에따른해석결과 Fig. 10-13 은둔내터널에서제트팬의속도가 0, 10, 20, 40 m/s인경우, 수소연료차량이두제트팬의중간에위치하였을때수소연료차량바닥의수소농도를시간에시간에따라나 타낸것이다. 제트팬의속도가 30 m/s인경우는 Fig. 5와같다. 이때수소누설유량은 131 L/min 이다. 제트팬의속도가 0 m/s 인경우시간에따라가연영역인 4% 의분포가부력에의하여바닥을타고방사형으로확산되며, 약 30초이후에는차량바닥의절반이상이가연영역에해당된다. 노즐을중심으로한세로단면에서의시간에따른수소농도분포를보았을때노즐을중심으로수소농도분포가시간에따라바닥을타고확산되는것을확인할수있다. 제트팬의속도가증가함에따라제트팬에의해터널내부에형성된유동에의하여수소누설시수소가차량진행방향으로길게분포하게되며, 가연영역은수소농도가확산되는방향을따라분포하는것을볼수있다. 각단면에서의수소농도를분석한결과제트팬의속도가 0 m/s일때와비교하여차량진행방향으로길게분포하는것을볼수있다. 제트팬의속도가 40 m/s 까지증가함에따라속도가 10, 20 m/s인경우와같이수소농도의분포가차량진행방향으로형성된것을확인할수있으나, 수소의가연영역이낮은속도에비하여더작게분포하게되고, 이는수소농도가빠른유동장에의해낮은속도에서보다주변으로더희석되기때문으로사료된다. 차량진행방향으로형성된유동장과수소의부력에의해차량의바닥을타고진행방향으로수소가확산된다. 본연구결과에서제트팬가동시팬작동속도의차이에따른수소농도분포의차이는크지않지만팬의가동유무에따른수소농도차이는큰것을알수있다.
54 / 한국전산유체공학회지안혁진 정재혁 허남건 이문규 용기중 3.3 터널내누설유량에따른해석결과 Fig. 14-15 는누설유량이 0.5Q, 1.5Q일경우차량이제트팬의중간에위치할때제트팬의속도가 30 m/s일때시간에따른수소농도를나타낸것으로, 여기서기본누설유량 Q 는 131 L/min 으로하였다. 누설유량이 0.5Q인경우같은조건에서누설유량이 Q인경우에비하여동시간대수소농도의분포영역이약간줄어든것을확인할수있으나, 터널내제트팬의가동에의해형성된유동장에의해전체적인분포경향이유사하다. 누설유량이 1.5Q인경우 0.5Q 및 Q에서와마찬가지로유동장을따라수소농도가분포하는것을확인할수있으며, 증가된유량에의해가연영역이더넓게분포하게된다. 노즐중심수직단면으로도시한그림에서공기와수소의밀도차에의한부력으로인하여차량바닥을타고노즐앞쪽으로분포하게되며, 누설된수소가터널내형성된유동장을타고퍼지게된다. 본결과에서볼수있듯이수소누설유량에따른가연역역의크기가다소차이는있지만터널내일정수준이상의환기가된다면누설유량은큰형향이없음을알수있다. 4. 결론본연구에서는둔내터널을대상으로터널내부에서수소연료차량의위치, 터널환기속도, 수소누설유량에대하여수소확산거동에대한수치해석적인연구를진행하였다. 수소의확산은스칼라이송방정식을사용하여모사하였다. 둔내터널에서는차량의위치, 제트팬속도, 차량누설유량에따른수소확산거동을수치적으로예측하였다. 위치에따른수소누설에대한해석에서는, 평상시제트팬에의하여터널내이미발달된유동장에의하여차량의진행방향으로확산되었다. 공기와수소의밀도차에의한부력으로인하여수소는차량의바닥을타고퍼지는것을확인할수있었으며, 이러한경향은위치의차이에관계없이유사하였다. 제트팬의 속도에따른해석에서는, 제트팬의정상작동속도에서터널 내발달된 유동장의영향으로가연영역이 차량진행방향으로 길게분포하며, 이러한경향은 10 m/s이상의제트팬속도에서 유사함을알수있다. 누설유량에따른해석에서는, 수소확산 의경향은유사하였으나가연영역이누설유량에따라증가 함에따라확산되는것을확인할수있었다. 후 기 본 연구는 국토해양부 교통체계효율화사업의 연구비지원 (07교통체계- 미래02) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 [1] 2009, Vudumu, S.K. and Koylu, U.O., "Detailed simulations of the transient hydrogen mixing, leakage and flammability in air in simple geometries," International Journal of Hydrogen Energy, Vol.34, Issue 6, pp.2824-2833. [2] 2006, Kang, K., "Computational Study of Longitudinal Ventilation Control during an Enclosure Fire within a Tunnel," Journal of Fire Protection Engineering, Vol.16 pp.159-181. [3] 2008, Vauquelin, O., "Experimental Simulations of Fire- Induced Smoke Control in Tunnels using an 'Air-Helium Reduced Scale Model': Principle, Limitations, Results and Future," Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.23, pp.171-178. [4] 2009, 안혁진, 이상혁, 허남건, 이문규, 용기중, 밀폐공간 에서 수소누설로인한수소제트 확산에대한수치해 석, 한국전산유체공학회지, 제14권, 제2 호, pp.32-38. [5] 2006, CD-adapco group, STAR-CD Methodology V4.00. [6] 2002, 고속도로터널환기시설설계기준, 한국도로공사.