FDS를 사용한 420톤급 전기추진 차도선에 대한 화재 확산 해석

2.1 해석 대상 선박

본 연구의 수치해석 대상은 선박해양플랜트연구소에서 개발된 420톤급 전기추진 차도선으로, 차량 적재 용량은 약 20대이며 여객 정원은 약 120명이다. 해당 선박은 개방형 차량 갑판과 승객 구역이 공존하는 복합적인 구조를 가지고 있어 화재 확산 및 피난 안전성 분석에 적합한 모델이다. 대상 선박의 외관 모습과 주요 제원은 Fig. 1과 Table 1에 요약하였다.

Fig. 1.

420-ton class electrified car ferry [5].

Table 1.

Specification of the electrified car ferry [5]

2.2 수치해석의 지배방정식

본 연구에서는 전기추진 차도선 내부의 화재 발생 시 열 및 연기의 확산 거동을 수치적으로 해석하기 위하여, 미국 국립표준연구소에서 개발한 전산유체역학 기반의 화재 전용 해석 코드인 FDS(Ver. 6.10.1)를 사용하였다. 또한 모델링 및 전·후처리 과정에는 Pyrosim 2024 프로그램을 활용하였다. FDS는 저속의 열 유동 해석에 적합한 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 하며, 연속방정식, 운동량방정식, 에너지방정식 및 이상기체방정식을 주요 지배방정식으로 채택하여 연소 현상을 계산한다. 이에 대한 방정식은 다음과 같다.

1) Continuity equation(연속방정식)

2) Momentum equation(운동량방정식)

3) Energy equation(에너지방정식)

4) Ideal gas equation(이상기체방정식)

5) Combustion reaction(연소반응식)

여기서 ρ는 유체 밀도, t는 시간, $$ \overrightarrow{u}$$는 속도벡터, p는 정압, g는 중력 가속도, $$ \overrightarrow{\mathrm{\tau }}$$ 는 응력텐서, T는 온도, c_p는 정압 비열, k는 열전도도, S는 외부 에너지원, W는 분자량(몰 질량), R은 기체상수, v_F는 연료의 반응 계수, Fuel은 연료의 화학종, v_O는 산화제의 반응 계수, Oxidizer는 산화제, v_p,i는 і번째 생성물의 반응 계수, Product_i는 і번째 생성물의 화학종이다. 추가적으로 이번 해석에서 난류 유동 모델의 경우에는 격자 크기 및 해석 시간을 고려하였을 때, 이번 선박 내 화재와 같은 대규모 화재 시뮬레이션에 상대적으로 보다 적합한 것으로 알려진 LES(Large Eddy Simulation) 기법을 적용하였다(McGrattan et al. [2014]).

3.1 해석 대상 선박 격자 생성 및 경계조건

화재 시뮬레이션에서 격자의 해상도는 화염의 거동과 열 확산을 결정짓는 가장 중요한 요소이므로, 다음의 식 (6)과 같이 화원의 열 방출률($$ \dot{Q}$$)에 따른 화원의 특성 직경(D*)을 계산하여 이를 기준으로 격자 크기를 설정하였다. 이를 바탕으로 격자 크기(δ)가 화원의 특성 직경의 적정 비율인 δ=D*/10이 되도록 설정(Kim and Hwang[2017]) 하였으며 총 격자 수는 약 180만 개(격자 크기 약 0.18 m)로 산정하여 해석 결과의 신뢰성을 확보하였다. 적용된 경계조건은 해석 연산의 효율성을 극대화하기 위해 화원을 제외한 모든 벽면은 화학적 반응이나 연소가 발생하지 않는 비활성 표면(INERT surface)으로 가정했으며, 벽체로 구획된 선박의 바닥면을 제외한 나머지 모든 해석 영역의 경계면에 대해 개방 대기 조건(Open surface condition)을 적용하였다.

여기서 $$ \dot{Q}$$ = 화재의 총 열방출률(Total heat release rate, kW)
ρ_∞ = 공기 밀도(Air density, kg/m³)
c_p,air = 공기 비열(Air specific heat, kJ/kg·K)
g = 중력 가속도(Gravitational constant, m/s²)
T_∞ = 주위 대기 온도(Ambient temperature, K)

3.2 배터리 화재의 열방출률 산정

화재 시뮬레이션의 핵심 입력조건인 열방출률을 산정하기 위하여, Kang et al.[2023]이 수행한 64 kWh급 전기차 배터리 팩 실물 화재 실험 데이터를 기반으로 화재 시나리오를 구성하였다. 본 연구의 대상 공간인 배터리실은 가연성 내장재 등을 배제하고 선박에 탑재되는 250 kWh 용량의 배터리 2개 세트만 고려하여, 총 8개의 배터리 팩(약 500 kWh)이 동시에 발화하는 조건을 가정하였다. 실험 데이터에 기반하여 산출된 총 열방출량(Total heat released, 이하 THR)은 4.8GJ이며, 이를 화재 지속 시간인 1,200초 동안의 평균값으로 환산하여 4,000 kW의 열 방출률을 도출하였다.

3.3 화재 해석 시나리오

본 연구의 해석 시나리오는 배터리실 내부에서 발생한 화재를 대상으로, 적용되는 연소 반응의 특성에 따라 두 가지 시나리오로 구분하여 수행하였다. 우선 Case 1은 일반적인 화재 시뮬레이션에서 표준적으로 사용되는 프로판 가스 화재 수준의 그을음(Soot) 및 일산화탄소(CO) 생성률을 적용한 조건이다. 반면, Case 2는 배터리 화재 발생 시 인접한 케이블이나 단열재 등 주변 가연성 물질의 동반 연소 가능성을 고려하여, 유해 물질 생성률(CO yield: 0.1, Soot yield: 0.05)을 보다 높게 설정한 조건이다. 이를 통해 연소 생성물 발생량의 가정에 따른 배터리실 내 인명 안전 위험성을 정량적으로 비교 분석하였다.

3.4 주요 측정 지점 선정

일반적으로 여객선은 한 개의 출입구와 여러 층으로 이루어져 있기 때문에 선박 화재 시 대피를 위해 계단을 이용하여야 하지만, 계단은 굴뚝 효과와 같이 연기와 열기가 급격히 확산하는 주요 수직 이동 경로가 되기도 한다. 본 연구에서는 계단 내부의 위험도를 정량적으로 파악하기 위해, Fig. 2와 같이 배터리실과 인접한 계단과 선수부 계단의 초입부(①, ④), 수직 경로의 중간부(②, ⑤), 그리고 상부 갑판으로 이어지는 상단부(③, ⑥)에 각각 측정점을 배치하였다. 이를 통해 화재 성장에 따른 높이별 온도 분포 및 유해 가스 농도의 시간적 변화 추이를 추적 분석하였다.

Fig. 2.

Measurement point configuration.

4.1 열방출률 및 화재 확산

본 연구의 해석 시나리오는 모두 배터리실 내부 화재를 가정하였으며, 이에 따라 단일 배터리 팩 실험에 기반하여 과도 열전달 및 전반적인 연기 확산 양상을 정량적으로 파악하기 위해 동일한 열방출률 곡선을 적용하였다. Fig. 3(a)는 해석 결과 도출된 열방출률의 시간적 변화를 나타낸다. 그래프에서 확인되는 바와 같이 평균 약 4,000 kW 수준의 일정한 화재 강도가 유지되었으며, 총 열방출량은 4.8GJ로 산출되어 동일한 화재 성상 조건을 보였다.

Fig. 3.

(a) Heat Release Rate curve; (b) Temperature distribution.

이러한 화재 강도 조건에서 시뮬레이션을 수행한 결과, 두 케이스 모두 열과 연기가 부력 효과에 의해 상층부로 강하게 상승하는 공통된 유동 특성을 나타내었다. Fig. 3(b) 및 Fig. 4에 시각화된 바와 같이, 화재 발생 초기에 형성된 고온의 기류는 천장면을 따라 이동하다가 선박 내부의 수직 통로인 계단실로 유입되는 양상을 보였다. 이때 좁고 긴 수직 공간의 특성상 굴뚝 효과가 가속화됨에 따라, 계단실이 연기와 열기를 상부 갑판까지 신속하게 확산시키는 주요 경로로 작용함이 뚜렷하게 확인되었다.

Fig. 4.

Fire and smoke spread, 1,200s: (a) Case 1; (b) Case 2.

4.2 배터리실 출구 온도 및 그을음 농도

배터리실 출구 위치에서의 온도 및 그을음 농도 변화를 각 케이스에 대하여 비교 분석한 결과는 Fig. 5와 같다. 우선 Fig. 5(a)를 살펴보면, 두 시나리오 모두 화재 발생 직후 급격한 기울기로 온도가 상승하는 공통된 거동을 보였다. Case 1은 최고 약 320℃, Case 2는 최고 약 350℃에 도달하였으며, 이후 약 200~300℃ 범위의 고온 상태가 지속되는 유사한 경향을 나타내었다. 이는 시나리오 조건과 관계없이 배터리실 인접 구역은 화재 초기부터 즉각적인 열적 위험에 노출됨을 시사한다. 반면, Fig. 5(b)를 통해 그을음 농도는 시나리오별로 차이가 뚜렷하게 확인되었다. 일반적인 연소 조건을 가정한 Case 1은 낮은 농도를 보인 반면, 악조건을 가정한 Case 2는 최고 약 3,000 ppm 수준까지 상승하였다. 그러나 두 경우 모두 선행 연구(Lee et al.[2025])에서 제시한 인명 안전을 위한 피난 허용 한계 기준인 4,000 ppm을 하회하는 것으로 나타나, 사용된 조건 내에서는 해당 구역의 그을음 농도가 임계치를 초과하지 않음을 확인하였다.

Fig. 5.

Result at the battery room exit: (a) Temperature; (b) Soot density.

4.3 계측점 ①~⑥에서의 온도

배터리실 인접 계단(계측점 ①~③)과 떨어진 계단(계측점 ④~⑥)의 온도 분포를 비교 분석한 결과, 화재 원점과의 거리에 따라 위험도가 확연히 구분되는 경향을 보였다. 우선 배터리실 상부에 위치한 계단(계측점 ①~③)의 경우, Fig. 6(a)와 같이 굴뚝 효과가 집중되는 중간부 지점에서 온도가 최고 130℃까지 상승하였다. 이는 IMO에서 인명 안전을 위해 제시한 생존 한계 온도인 60℃를 2배 이상 초과하는 수치로, 해당 구간이 화재 시 치명적인 열적 위험 구간임을 시사한다. 다만, 동일한 계단 내에서도 초입부(계측점 ①)는 약 20℃를 유지하였으며, 상부 갑판과 연결되는 최종부(계측점 ③)는 약 50℃까지 상승하였으나 개방된 구조에 의한 자연 환기 및 열기 희석 효과로 인해 IMO 안전 기준(60℃)을 초과하지 않는 것으로 분석되었다. 반면, 배터리실과 떨어진 위치에 있는 계단(계측점 ④~⑥)은 Fig. 6(b)에서 확인되는 바와 같이 화재의 열적 영향이 상대적으로 미미하였다. 해당 구역은 초입부, 중간부, 최종부 측정 지점에서 온도가 IMO 안전 기준인 60℃ 이내로 안정적인 분포를 보였으며, 이는 화재 원점과의 거리로 인해 열기 확산이 제한적이었기 때문으로 판단된다.

Fig. 6.

Temperature: (a) points ①~③; (b) points ④~⑥.

4.4 계측점 ①~⑥에서의 그을음 농도

계측점 ①~⑥에 대한 그을음 농도 해석 결과는 Fig. 7과 같다. 온도 분포에서 확인된 위험성과 달리, 그을음 농도의 경우 배터리실 인접 여부와 관계없이 모든 측정 지점에서 인명 안전 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 배터리실 상부 계단(계측점 ①~③)과 배터리실과 떨어진 계단(계측점 ④~⑥) 모두 전체 시간 동안 그을음 농도가 피난 허용 한계 기준인 4,000 ppm을 크게 하회하였다. 특히 유해 물질 생성률을 높게 설정한 Case 2의 보수적인 조건에서도 임계치를 넘지 않는 수치를 유지하는 것으로 확인되었다. 결과적으로 본 해석 시나리오 조건 하에서는, 열적 위험(고온)에 비해 그을음 농도에 의한 직접적인 피해 가능성은 상대적으로 낮으며, 배터리실과 떨어진 계단은 피난 경로로서의 안전성이 충분히 확보되는 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Soot density: (a) points ①~③; (b) points ④~⑥.

4.5 계측점 ①~⑥에서의 일산화탄소 농도

Case 1과 Case 2 시나리오에 따른 일산화탄소 농도 해석 결과는 Fig. 8과 같다. 그래프 분석 결과, 배터리실 상부 계단(계측점 ①~③)과 배터리실과 떨어진 계단(계측점 ④~⑥) 모두 시나리오 조건과 관계없이 중간부 지점에서 가장 높은 일산화탄소 농도 분포를 보였다. 안전성 측면에서는 시나리오별로 확연한 차이를 보였다. 일반적인 화재 조건을 가정한 Case 1은 모든 측정 지점에서 IMO 인명 안전 기준(500ppm)을 초과하지 않는 안정적인 범위 내에 머물렀다. 반면, 보수적인 악조건을 가정한 Case 2의 경우 Fig. 8(a)에서 확인되는 바와 같이 배터리실 상부 계단의 중간부에서 일산화탄소 농도가 최고 1,000 ppm까지 급격히 상승하였다. 이는 허용 기준인 500 ppm을 2배 이상 초과하는 수치로, 해당 구역이 화재 시 질식 등 심각한 인명 피해가 발생할 수 있는 치명적인 위험 구간임을 시사한다. 단, 배터리실과 떨어진 계단 Fig. 8(b)는 Case 2 조건에서도 기준치 이내의 농도를 유지하여 상대적인 안전성이 확인되었다.

Fig. 8.

CO density: (a) points ①-③; (b) points ④-⑥.

4.6 대피 경로 분석

Fig. 9에 도식화된 종합 대피 경로 분석 결과, 배터리실 상부에 위치한 계단(계측점 ①~③)은 비상 대피로의 기능을 완전히 상실한 것으로 판단된다. 해당 구역은 두 시나리오 모두에서 130℃를 상회하는 고온이 형성되었으며, 특히 보수적 조건인 Case 2에서는 치명적인 농도의 일산화탄소(1,000 ppm) 위험까지 중첩되는 것으로 나타나 승객의 생존이 불가능한 위험 구역으로 식별되었다. 이에 반해, 배터리실과 떨어진 반대편 계단(계측점 ④~⑥)은 최악의 조건을 가정한 Case 2 시나리오 하에서도 온도, 독성 가스 농도 등 모든 인명 안전 기준을 충족하는 것으로 확인되었다. 따라서 실제 화재 대응 매뉴얼 수립 시, 승객과 승무원은 화재 발생 즉시 오염 확산이 빠른 배터리실 인접 구역 진입을 철저히 배제하고, 안전성이 검증된 선수부 계단을 활용하여 이동하는 우회 대피 전략이 필수적이다.

Fig. 9.

Evacuation route for Case 1,2.