Midpoint–Puff 모델을 이용한 액체누출 확산거리 산정
Calculating the liquid leak diffusion distance using the Midpoint–Puff model
- 주제(키워드) 정량적 위험성 평가(QRA) , Midpoint-Puff 모델 , 중가스 확산 , 방류벽 , n-펜탄 , 면 오염원
- 주제(DDC) 628
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 정승호
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035818
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
This study developed a Python-based 3D 'Midpoint-Puff Integrated Dispersion Model' to accurately analyze the complex physical behaviors occurring during leakage accidents at hazardous chemical storage facilities. The model dynamically accounts for the geometric shape of storage tanks and the suppression effects of liquid pools within dikes. It aims to reduce the uncertainty in near-field concentration predictions caused by the simplification of sources as points or rectangles in existing commercial models (e.g., ALOHA, TNO Effects) and to reflect the surface-hugging characteristics of heavy gases like n-Pentane for quantitative risk assessment. The proposed model introduces the Midpoint algorithm, an application of Bresenham's algorithm from computer graphics, to discretize circular liquid pools within dikes into multiple grid-based area sources. By calculating initial dispersion coefficients using the RSS (Root Sum Square) method, the model resolves the singularity problem of infinite concentration at the source (x=0). Furthermore, a Heavy Gas dispersion algorithm is integrated to simulate gravity slumping and vertical suppression caused by density stratification. Environmental sensitivity analysis for a medium-sized leak (25.4 mm) revealed that the dispersion distance for 120 ppm was longer in the worst-case scenario (Class F, 1.5 m/s) at 875 m compared to the alternative scenario (Class D, 3.0 m/s) at 739 m. This indicates that for medium leaks, the turbulent dilution effect caused by faster wind speeds dominates the advection effect, thereby reducing the hazardous radius. The effectiveness of dikes varied significantly depending on the concentration level in a large leak scenario (101.6 mm). For the low-concentration region (120 ppm), there was no significant difference (0.0% reduction) regardless of dike installation, confirming the limitations of passive mitigation for far-field dispersion. However, in the high-concentration region (3,500 ppm), the dike reduced the dispersion distance by approximately 30% (844 m → 588 m), exhibiting a clear saturation phenomenon. This proves the source-dominated characteristic of high-concentration areas, where the hazard radius is directly dependent on the evaporation rate limited by the dike. In conclusion, the Midpoint-Puff model serves as an effective engineering tool for quantitatively determining the validity of safety facilities based on weather conditions and concentration levels, contributing to the establishment of practical Emergency Response Plans (ERP) within the initial 10-minute "golden time". Keywords: Quantitative Risk Assessment (QRA), Midpoint-Puff Model, Heavy Gas Dispersion, Dike, n-Pentane, Area Source
more초록/요약
본 연구에서는 유해화학물질 저장 시설의 누출 사고 시 발생하는 복잡한 물 리적 거동을 정밀하게 해석하기 위해, 저장 탱크의 기하학적 형상과 방류벽 (Dike)에 의한 액체 풀(Pool)의 확산 억제 효과를 동적으로 고려할 수 있는 Python 기반의 3차원 'Midpoint-Puff 통합 확산 모델'을 개발하였다. 기존 상 용 모델(ALOHA, TNO Effects)이 오염원을 단순한 점(Point)이나 사각형으로 가정하여 발생시키는 근거리 농도 예측의 불확실성을 개선하고, n-펜탄 (n-Pentane)과 같은 중가스(Heavy Gas)의 지표면 체류 특성을 반영하여 정량 적 위험성 평가를 수행하였다. 본 모델은 컴퓨터 그래픽스 분야의 Bresenham 알고리즘을 응용한 Midpoint 기법을 도입하여 방류벽 내 원형 액체 풀을 다수의 격자 단위 면 오염원으로 이산화하고, RSS(Root Sum Square) 방식을 통해 초기 확산계수를 산정하여 누출원 인근(x=0)에서의 농도 무한대 발산(Singularity) 문제를 해결하였다. 또 한, 중가스 확산 알고리즘을 결합하여 밀도 성층화에 의한 중력 침강과 수직 혼합 억제현상을 모사하였다. 환경 조건 민감도 분석 결과(25.4 mm 기준), 120 ppm 확산 거리는 최악 시 나리오(F, 1.5 m/s)에서 875 m, 대안 시나리오(D, 3.0 m/s)에서 739 m로 나타 났다. 이는 중구경 누출 시 배출량이 상대적으로 적어, 3.0 m/s의 빠른 풍속에 의한 난류 희석(Turbulent Dilution) 효과가 이송(Advection) 효과보다 지배적 으로 작용하여 위험 반경이 감소했기 때문이다. 대구경(101.6 mm) 누출 시 방류벽의 확산 저감 효율은 관심 농도에 따라 극 명한 차이를 보였다. 저농도(120 ppm) 영역에서는 방류벽 설치 유무에 따른 확 산 거리 차이가 거의 없어(0.0% 저감) 대기 확산 단계에서의 물리적 제어 한계 를 확인하였다. 반면, 고농도(3,500 ppm) 영역에서는 방류벽 설치 시 확산 거리 가 약 30%(844 m → 588 m) 감소하며 뚜렷한 포화(Saturation) 현상을 보였 다. 이는 고농도 영역이 증발률에 종속되는 소스항 지배적 특성을 갖기 때문임 을 입증하였다. 결론적으로, 본 연구의 Midpoint-Puff 모델은 기상 조건 및 농도 기준에 따 른 방호 설비의 유효성을 정량적으로 판별하고, 사고 초기 10분 내의 실효성 있는 비상 대응 계획(ERP) 수립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 키워드: 정량적 위험성 평가(QRA), Midpoint-Puff 모델, 중가스 확산, 방류벽, n-펜탄, 면 오염원
more목차
제 1장 서론 1
제1절 연구 배경 및 필요성 1
제2절 연구 목적 2
제 2장 수치해석 모델 및 해석 조건 4
제1절 이론적 배경 4
1. 관련 법규 및 설비 기준 4
가. 저장 탱크의 충전 및 관리 기준 4
나. 방류벽 설치 및 용량 설계 4
2. 누출 및 물리적 모델 5
가. 누출률 계산 5
나. 액체 증발 계산 5
3. 대기 확산 이론 6
가. 가우시안 플룸 모델 7
나. 가우시안 퍼프 모델 9
4. 기존 상용 모델의 특성 및 한계 10
가. TNO Effects(ver. 12.5.2) 10
나. DNV Phast 11
다. ALOHA(5.4.7) 12
제2절 수치해석 알고리즘 및 모델 개발 14
1. 누출원 산정 알고리즘 14
가. 액면 변화 및 유출 속도 계산 14
(1) 누출속도 계산식 14
(2) 액면 높이 변화 계산 15
(3) 누출공 선정 기준 16
나. 액체 풀 증발량 갱신 16
(1) 증발량 계산식 16
(2) 물질 전달 계수(km) 및 증발량(Qevap) 산정 17
2. 액체 Pool Midpoint 원그리기 알고리즘 18
가. Midpoint 알고리즘 18
나. 격자 생성 및 면적 오차 보정 19
(1) 음함수 기반의 판별 19
(2) 결정 변수(Decision Parameter) 설정 20
(3) 격자 생성 및 판별 함수 20
(4) 판별 함수를 이용한 유효 격자 분류 21
(5) 면적 오차 보정 21
3. 라그랑주 퍼프 확산 모델링 23
가. 라그랑주 퍼프 모델 23
나. 난류 기반 확산계수 24
다. 확산계수 산정 25
라. RSS 합성을 통한 초기 확산계수 산정 및 적용 26
(1) 수평 초기 확산계수(σy0) 26
(2) 수직 초기 확산계수(σz0) 26
(3) 확산계수의 합성 27
4. 중가스(Heavy Gas) 대기 확산 모델링 28
가. 중가스의 정의 및 물리적 확산 특성 28
나. 중가스 확산 계수 보정 모델 28
다. 주요 매개변수(Ld, α, β)의 선정 근거 29
제3절 수치해석 시나리오 및 조건 31
1. 연구 대상 및 물성 31
2. 저장 탱크 및 방류벽 형상 모델링 32
가. 기하학적 형상 32
나. 해석 케이스 설정 33
3. 기상 및 환경 조건 36
가. 시나리오 변수 설정 36
(1) 누출 지속 시간 설정 (Leakage Duration) 36
(2) 기상 조건 36
나. 지표면 거칠기 및 누출공 37
(1) 지표면 거칠기 37
(2) 누출공 38
4. 수용체 위치 및 관심 농도 39
제 3장 결과 및 고찰 41
제1절 수치해석 모델의 적합성 및 신뢰성 검증 41
1. 격자 해상도(Grid Sensitivity) 민감도 분석 41
2. 오염원 모사 방식에 따른 근거리 농도 분포 43
3. 정상 상태와 비정상 상태 농도 거동 비교 45
제2절 표준 시나리오 조건 확립 47
1. 저장탱크 형상 비교 47
가. 액면 높이 비교 47
나. 누출량 비교 48
다. 증발량 비교 49
2. 압력 비교 50
가. 액면 높이 변화 50
나. 누출량 변화 51
다. 증발량 변화 52
3. 누출공 크기 53
가. 액면 높이 비교 53
나. 누출량 비교 54
다. 증발량 비교 55
제3절 확산 영향 인자 민감도 분석 및 시나리오 선정 56
1. 환경 조건에 따른 확산거리 변화 56
2. 중가스 효과 및 모델 비교 분석 59
가. 중가스 효과 반영 시 정상 vs 비정상 농도 거동 차이 분석 60
나. 확산계수 변화 및 확산 거동의 차이 61
다. 수직 농도 분포 및 지표면 효과 62
제4절 Midpoint-puff 모델 기반 위험 영향 범위 분석 63
1. 시간 경과에 따른 확산 및 희석 패턴 (Puff Model) 63
2. 방류벽의 확산 저감 성능 66
3. 측정높이 z에 따른 확산거리 비교 68
가. 고도별 최대 확산거리 비교 69
나. 높이별 최초 발현시간 비교 70
제5절 상용 프로그램 비교 검증 71
1. 상용 프로그램 비교 시 입력 조건 71
2. 확산 거리 비교 결과 72
제 4장 결론 74
참고문헌 76
Appendix 82
영문 요약(Abstract) 84
