†Corresponding author : 연회원, 서 론
선박의 좌초, 충돌 등 사고의 증가로 조난자가 발생할 경우 조난자의 체온과 안전을 보장할 수 있는 구명정 및 구명 뗏목 (보트) 등의 역할에 대한 사회적 기술적 관심이 증대하고 있 다. 선박의 해양사고 시 익수자의 저체온증에 의한 사망사고 를 예방하기 위해서는 구명정의 단열 성능 분석 및 저체온증 가능성 및 익수자의 체온 변화를 파악할 수 있는 접근방법이 필요하다. 구명정의 단열 성능 요구사항을 체계적으로 제시한 국제표준 또는 선급 규정 항목은 명확하지 않으나, Mak et al.(2008)의 연구는 구명정과 체온 변화의 관계, 저체온증 발생 가능성에 관한 실험을 제시하고 있다. 본 연구는 빙해수조 내 에서 구명 뗏목 탑승자의 의복 상태 및 해수 온도, 풍속 등과 의 관계를 실험하였으며 신체에 열전대를 부착하여 온도 변화 를 관찰하였다. 해상 익수자의 저체온증 해석에 관한 연구는 Xu et al.(2011),Xu et al.(2005), Tikuisi et al.(2000) 등에서 찾 아 볼 수 있다. 또한 본 연구의 선행연구로서 구명정의 열전달 특성 분석과 인체를 대상으로 저체온증 예측을 위한 실험 및 해석적인 연구도 수행된 바 있다(Jang et al., 2015; Hwang et al., 2014). 본 논문에서는 앞서 언급한 선행연구의 성과를 설 계에 반영하여 개발된 새로운 구명정 단열성능을 정량적으로 평가하였다.
또한, 구명정에 탑승하여 표류 시 발생 할 수 있는 저체온 증을 예측하기 위한 실험과 해석적 연구를 수행하여 개발된 구명정의 단열성능에 대해서 평가하였다. 저체온증 예측을 위 한 실험은 인체를 대상으로 수행하였으며, 실험적 한계를 극 복하기 위해서 유한요소해석 방법을 이용하여 저체온증 예측 을 수행하였다. 저체온증 해석은 주로 Pennes bioheat 방정식 을 기반으로 유한요소법 또는 유한차분법을 이용하여 직접 해 석하고 있으나, 체온 변화의 정확성은 기술적인 어려움이 있 다. 이는 신체 내부의 발열 조건, 복사 열전달, 호흡에 의한 열 전달, 혈관 분포, 피부 및 근육, 신체 구조의 복잡성뿐만 아니 라, Pennes bioheat 방정식의 비선형성에 의한 이유로 분석된 다. 따라서 본 연구에서는 저체온증 예측을 위해서 단순화된 인체 부분 모델을 제시하고 그 결과의 타당성을 검토하였다.
구명정의 단열성능 평가
구명정 개발을 위한 단열성능 평가는 시판되고 있는 6인승 구명정을 대상으로 외산 3종(Zodiac, EV, Platimo) 제품과 개 발하고자 하는 시제품을 대상으로 상대적으로 평가하였다. 평 가방법은 첫번째로 열저항 계산식을 이용한 평가방법을 적용 하였으며, Thermal makekin을 이용한 실험을 통해 단열성능 을 비교하였다.
2.1. 구명정의 열적 환경
구명정의 단열성능을 평가하기 위해서 구명정의 형상 및 재료 특징을 반영하여야 하며, 구명정의 열적 환경에 대해서 분석하여야 한다. 해상상태에서의 구명정의 열적 환경은 Fig. 1에서와 같이 해수 및 공기에 의한 대류조건과 인체의 온도변 화를 열적 특성으로 분류 할 수 있다.
2.2. 열저항 성능 평가
단순 평면에서 발생하는 열전도 (Heat conduction)에 의해 발생하는 열 저항( R t,con d)과 대류에 의하여 발생하는 열 저항 ( R t ,con v ) 는 아래와 같은 식 (1)과 (2)에서와 같이 표현할 수 있다.
여기서, k는 열전도계수(W/mK )이며, L은 단열층의 두께 (m), h는 대류계수(W/m2K ), T는 온도(°C), q는 열유속(heat flux, W/m2), A는 단면적(m2 )이다.
구명정에서 발생하는 열전달은 우선 구명정 하부를 대상으 로 검토하였다. 이를 이론적으로 계산하기 위해서 구명 뗏목 하부의 단열층의 열저항 값을 계산하여 판단 할 수 있으며 Fig. 2에 제시한 구명 뗏목의 하부 단열층에서의 열저항은 전 도와 대류에 의한 열저항을 합산하여 아래의 식 (3)과 같이 정리할 수 있다.
구명정의 바닥의 열 저항(보온) 특성을 각기 다른 재료에 대해서 비교하면 아래의 Table 1와 같이 계산되며, 열저항 값 은 단열층의 개수 및 재료에 크게 의존함을 알 수 있다. 열저 항 평가 대상은 구명정이 해상상태에서 해수와 접하는 바닥면 에서 대류가 가장 활발하다고 가정하고 바닥면을 대상으로 평 가하였다. 각 제품의 바닥면 재료는 실제로 각 제품별 열전도 계수 값의 차이는 있으나, 그 차이가 적다고 가정하고, Rubber와 Techlon로서 동일한 재료를 사용한다고 가정하여 평가하였다. 그 결과 단열층이 포함되지 않은 EV 제품에서 열저항값이 가장 낮게 계산되었으며 단열층이 두께 열저항값 이 비례하는 것을 확인할 수 있다. 열저항 평가를 통해 개발된 모델에서는 같은 단열재를 사용할 경우 구명정의 성능과 설계 에 영향을 주지 않는 범위 내에서 3mm 이상의 단열재를 바닥 에 사용함으로써 단열성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
2.3. 단열성능 검증 실험
구명정의 단열성능을 검증하기 위해서 각 제품을 대상으 로 Thermal manikin을 이용한 단열성능 실험을 수행하고 그 결과를 상대적으로 비교하여 평가하였다. Thermal manikin 실험은 0°C의 저온 챔버에서 5°C의 물이 채워진 수조에 구 명정을 부유시키고 Fig. 3과 4에서와 같이 Thermal manikin 을 탑승 시켜 1시간 동안의 열유속(Heat flux)의 변화량을 계측하였다. Fig .4
열유속 계측을 위해 Thermal manikin의 표면온도를 35°C 를 유지하도록 설정하고 실험을 수행하였다. 단열성능 평가 를 위한 실험조건은 Table 2에서와 같다.
2.4. 단열성능 평가
열전달 실험을 통해 각 구명정을 대상으로 Thermal manikin에서 발생하는 열유속을 계측하여 단열성능을 비교 평가 하였다. 단열성능 평가 실험에서 각 부위별로 계측된 열유속(q′′i)을 식 (4)에서와 같이 각 부위별 단면적( A i )을 곱 하여 얻어진 열유량(qi )으로 환산하여 비교하면 Fig. 5에서와 같다. 비교 결과 대부분의 위치에서는 유사한 값이 계측이 되었으나 바닥면에 단열재가 없는 EV 제품에서는 바닥과 접 하는 인체의 각 부위에서 높은 열유량이 계측된 것을 확인 할 수 있다.
저체온증 예측 실험
저체온증 예측을 위해서 인체를 대상으로 실험을 수행하 였다. 실험조건은 Table 2에서와 같이 구명정 단열성능 평가 와 같은조건으로 수행되었으며 피시험자의 위험도를 고려하 여 1시간동안 인체 각 부위에서의 온도변화를 관찰하였다. 온도계측 위치는 Fig. 8에서와 같이 Thermal manikin과 동 일하게 설정하였으며, 대류가 활발하게 일어나는 바닥면과 접하는 인체부위에 계측위치를 증가시켜 확인하였다. 저체온 증 예측 인체실험은 개발된 시제품을 대상으로 수행되었으 며, 계측실험 조건은 Fig. 7에서와 같다.
인체실험 결과 1시간 동안의 각 부위별 온도변화는 Fig. 9 에서와 같이 일부 부분을 제외한 전체 신체부위에서 1시간동 안 온도가 하강하는 결과를 확인하였다. 주요 부위별 온도 변 화는 Head는 -1°C/hour, Chest는 -1°C/hour, Foot는 -5 °C/hour, Hand는 -5°C/hour, Thigh -4°C/hour로 계측되었 다. 시뮬레이션 대상으로 Head와 Thigh를 선택 하였다.
저체온증 예측 시뮬레이션
4.1. 저체온증 예측 모델
저체온증을 판단하기 위해서는 신체 내부의 온도를 기준으 로 판단하게 되는데 앞서 언급한 인체실험 조건으로 저체온증 예측 결과를 도출하는데는 사고 위험 및 한계가 있기 때문에 유한요소해석법 (Finite Element Analysis)을 이용하여 인체 가 저체온증에 빠지는 시간을 예측하였다. 유한요소해석 모델 은 인체를 전도체로 가정하여 식 (4) 에서와 같이 Pennes(1948)가 제시한 방법을 사용하였다. 이는 호흡에 의 한 체온 저감 및 복사 열전달에 의한 체온 저하는 상대적으 로 적다는 가정을 두고, 주로 피부 조직의 체온을 예측하기 위하여 Bioheat 방정식을 제안하였다. Bioheat 방정식은 인 체의 신진대사 효과와 혈관대류 효과를 고려한 체내 열전달 현상을 대표하는 식으로 주로 피부 및 근육 조직의 온도 계 산에 사용되고 있으며 내부 열 생성을 가진 열확산 방정식 으로 표현된다.
여기서 T는 온도, t는 시간이며, k는 열전도계수이다. 또한 q′′′m는 인체의 신진대사(basal metabolism)로 발생하는 heat generation으로서 각 부위별 값은 Table 3에서와 같다. q′′′b는 인체 피부 아래 혈관에서 피의 흐름에 의해 발생하는 대류조 건이다. 본 연구에서는 유한요소 해석 모델을 단순화하기 위 해서 인체는 q′′′b가 발생하지 않는 전도체라고 가정하고 해석 하였다.
Table 3
Parameters of human model
| Tissue | k (W/mK) | Basal metabolism (W/m3) |
|---|---|---|
|
|
||
| skin | 0.47 | 368 |
| fat | 0.21 | 368 |
| muscle | 0.51 | 684 |
| bone | 0.75 | 368 |
인체의 저체온증 예측모델은 Thermal manikin 실험결과로 부터 구명정의 바닥면과 접하는 대퇴부(thigh)와 머리(head) 부에서 가장 활발히 발생하였다. 따라서 저체온증 예측 모델 은 Fig. 10과 Fig. 11에서와 같이 두 인체 부위를 대상으로 작 성하였다.
인체모델의 열전달 경계조건은 피부에서 대류가 발생한다 고 가정하고 대류조건으로 반영하였다. 대류조건을 반영하기 위한 대류계수는 Thermal manikin 실험에서 계측된 실내온도 를 기준으로 식 (7)의해 계산하고, T s는 Thermal manikin의 표면온도 35°C를 적용하고, T ∞는 인체실험에서 계측된 실내 온도 7.5°C를 적용하여 대류계수를 인체 부위별로 계산하였 다.
4.2. 열전달 해석 결과
저체온증 예측을 위한 열전달 유한요소해석은 10시간동안 의 인체변화를 관찰하였다. 해석 결과 10시간 이후 대퇴부의 온도분포는 Fig. 12에서와 같이 최대 온도가 12.8°C로 분포함 을 확인하였고, 해석 시간동안 인체의 최대 온도변화는 Fig. 13에서와 같이 변화하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 열전달 해석 모델의 타당성을 검토하기 위해서 Fig. 13에서와 같이 대퇴부를 기준으로 실험에서 계측된 온도와 비교하였다. 실험 결과는 인체 실험 시작 후 1시간 이후 대퇴부에서 계측된 온 도가 22.75°C이고, 유한요소 해석을 통한 예측된 온도는 Fig. 11에서와 같이 약 21°C로서 유한요소해석을 통해 얻어진 온 도분포가 실험결과와 유사함을 확인하였다.
또한, 머리부위에서의 온도변화를 살펴보면 10시간 이후 Fig. 14에서와 같이 최대 온도가 약 27°C로 분포함을 확인 할 수 있고, 해석 시간동안 인체의 최대 온도변화는 Fig. 15에서 와 같이 변화하는 것을 확인 할 수 있으며, 머리부에서는 brain의 heat generation에 의해 온도가 다소 상승하는 현상을 확인 할 수 있다. 그리고 실험결과와 수치해석 결과를 비교하 면 인체 실험 시작 후 1시간 이후 머리부에서 계측된 온도가 30°C이고, 유한요소 해석을 통한 예측된 온도는 Fig. 15에서 와 같이 약 34.7°C로서 유한요소해석을 통해 얻어진 온도분포 가 실험결과와 유사함을 확인하였다.
4.3. 저체온증 판단
인체의 저체온증 판단기준은 Table 4에서와 같이 평상 시 32.2~35°C 구간을 Mild, 28~32.2°C 구간을 Moderate, 28°C 이 하를 Severe 구간으로 정의하였다. 본 판단기준으로 앞서 수 행한 열전달 해석결과와 비교하여 해당 실험조건에서의 저체 온증 발생 여부를 판단하였다.
Table 4
Temperature criteria of hypothermia
| Status | Temp. | Time |
|---|---|---|
|
|
||
| Mild | 32.2 ~ 35°C | ~ 90m |
| Moderate | 28 ~ 32.2°C | 90m ~ 120m |
| Severe | < 28°C | 120m ~ |
저체온증 판단은 10시간동안 수행된 열전달 수치해석결과 에서 인체부위의 온도 변화이력을 도시하고, 이를 Table 4에 서 제시된 판단기준과 비교하여 평가하였다. 그 결과는 Fig. 16과 Fig. 17에서와 같으며, 최대 온도는 조직 내부이고 최저 온도는 피부라고 볼 수 있다. 저체온증을 판단하기 위해서는 조직 내부의 온도를 기준으로 평가하기 때문에 최대 온도를 기준으로 저체온증 발생을 판단하였다. Table 5에서와 같이 대퇴부를 기준으로 한 인체의 저체온증 도달시간은 Moderate 상태까지 약 90분, Severe 상태까지 약 120분이 걸리는 것을 확인 할 수 있고, 머리부를 기준으로 하면 각각 약 120분, 240 분이 걸리는 것을 확인 할 수 있다.
결론
본 논문에서는 새로운 구명정을 개발하기 위해서 단열성능 평가 및 열전달 해석방법을 제시하고 그 결과에 대해서 검토 하였다. 단열성능 평가는 열저항을 이용한 평가방법을 제시하 였다. 그리고 그 결과를 실험적으로 증명하였으며, 시제품의 단열성능이 Thermal manikin의 Total Heat Flow Rate가 약 390W로 가장 낮게 나타났다.
또한 조난자가 구명정 내부에서의 생존성을 보장하기 위해 체온 변화를 분석하고 저체온증에 도달하는데 걸리는 시간을 예측하기 위한 실험과 수치해석 결과를 소개하였으며, 그 과 정에서 저체온증 예측에 대한 유한요소해석 모델을 제시하였 다. 그 결과 대퇴부는 약 90분 뒤에는 Moderate상태에 빠지 고, 약 120분 뒤에는 Severe상태에 빠지게 된다고 나타났으며 머리부는 각각 약 120분, 240분으로 나타났다. 본 결과를 통해 서 본 연구에서 제시한 저체온증 예측방법을 통해 구명정의 단열 성능 및 인체의 저체온증을 판단할 수 있는 지표를 만들 었다고 판단되지만, 추후 저체온증 예측을 위해서 정밀한 인 체 모델에 대한 연구가 필요할 것이라고 사료된다.
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