돌발화염으로 인한 화상예측에 관한 수치해석적 연구

Abstract

매년 많은 소방공무원들이 화재나 고온 조건 등에 노출되어 화상으로 고통 받고 있어, 화상 예측에 대한 연구를 통해 화상을 방지할 수 있는 방법의 개발이 매우 중요하다. 그러나 피부조직의 비선형성, 혈류에 의한 열전달 분석의 불확실성 등 인체 내부의 복잡한 물리현상으로 인해 화상에 대한 연구는 매우 부족한 것이 실정이며, 특히 국내의 경우는 이에 대한 연구가 전무한 실정이다. 본 연구에서는 특히 심각한 화상을 유발할 수 있는 돌발화염(80 kW/<TEX>$m^2$</TEX> 이상의 고열 유속 조건)하에서의 2도 화상 발생에 대한 예측을 수행하였다. 생체 열전달 방정식(Bio-heat transfer)을 이용하여 지배방정식을 유도하였으며, 유한차분법(Finite Difference Method)을 활용하여 화상에 대한 예측을 수행하는 수치해석 접근법을 사용하였다. 기존의 여러 연구결과로부터 인체 피부의 열물성치를 정리하였고, 그것을 바탕으로 계산을 수행하였다. 기존의 낮은 열유속에 대한 화상 실험 결과와 예측 결과를 비교하여 가장 오차가 적은 열물성치 모델을 파악하였고, 그 결과를 바탕으로 고열유속의 돌발화염에서의 2도 화상발생 노출시간을 예측하여 제시하였다. Many fire-fighters suffer from the burn injuries, and the severe burns are the most catastrophic injury a person can survive, resulting in pain, emotional stress, and tremendous economic costs. It is important to understand the physiology of burns for prevention from skin burns and a successful treatment of a burn patient. But a few researches have been presented because the complex physical phenomena of our inside body like non-linearity characteristics of human skin make them difficult. Thus in this study, thermal analyses of biological tissues exposed to a flash fire causing severe tissue damage were studied by using a finite difference method based on the Pennes bio-heat equation. The several previous models for skin thermo-physical properties were summarized, and the calculated values with those models of tissue injury were compared with the results obtained by the previous experiment for low heat flux conditions. The skin models with good agreement could be found. Also, the skin burn injury prediction results with the best model for high heat flux conditions by flash flame were suggested.