其他學者驗證案例

FDS自發表後，目前已發展至5.3版。已有許多使用者應用FDS從事相關防 火、排煙研究及性能式設計應用，其範圍可從性能式煙控系統設計、火場 延燒行為、火場重建、撒水頭性能研究…等。而歸納以往相關研究結果可 初步評估FDS有效使用範圍及限制，經由驗證可得知FDS模擬之可信度。ASTM E1355中定義了何謂驗證：「是一個確定某數學運算法其是否能精確描述及 預測現實世界狀態所及程度的過程」［8］。而另一定義為FDS技術參考手 冊5第3卷:驗證中所提﹕「驗證乃確定做為某重要真實物理現象其數學模型

之統御方程式是否正確之過程。一般來說驗證通常就是比較模擬結果與實 驗結果」［7］。以下為國內外學者使用FDS預測或驗證真實火災之介紹。

1.McLeans Island Isoroom illustration［9］

Petterson為評估FDSv2.0預測室內溫度、氧氣濃度、煙層高度之準確性 進行實驗及FDS 模擬。作者之結論如下：

(1)FDS 無法正確獲得所需熱釋放率輸出值，需使用試誤法獲得所需值。

(2)若格點過於粗糙，物件位置會受限於格點尺寸，而無法使物件坐落於正 確位置增加模擬誤差。

(3)格點配置愈精密除會增長計算時間外，並不代表較符合實驗值。

(4)煙產生速率預設值偏低，使上層熱氣輻射熱回饋較低，導致房間下層氣 體溫度低估。

(5)引火源表面附近處若格點不夠精密，會降低模擬之準確度。

2.FDS MODELLING OF HOT SMOKE TESTING,CINEMA AND AIRPORT CONCOURSE

［10］

澳洲學者Alex Webb為了驗證FDS用於大空間場所之安全設計之可信度，

利用FDS重建了數個根據澳洲法規AS 4391 -1999所做的全尺寸實驗。並 比較FDS模型與全尺寸實驗之差異。作者發現FDS用於防火工程設計上確 實能合理的預測出某些參數於全尺寸實驗的結果，如熱煙層的狀態與高 度，但其餘參數的部分差異仍大。且全尺寸實驗相較於全棟複雜建築物 的真實火災情況，其仍處於控制條件的限制之下，不能真實反應實際火

火災情境。故作者結論為FDS能準確預測熱煙層之性能可作為防火工程設 計之指引(guide)，但不可做為防火系統安裝之驗證工具(system install certification tool)。

3.Validation of FDS for the World Trade Center Investigation［11］

為了協助調查世貿中心恐怖攻擊並重建當時其建物受熱與結構狀態，FDS 被選為其中一種調查模擬模型。而為了評估FDS是否能準確預測於一燃燒 區劃中之熱流場用於此調查，NIST於2003年實施了一系列全尺寸實驗，

這些實驗是以世貿中心案為參考設計。當時以FDS 4.0版本模擬與全尺寸 實驗結果比較後其結論如下:

（1） FDS能準確預期釋熱率與時間之關係。

（2） FDS預測已釋出一半能量時間與實驗結果相比較，誤差於22%以內。

（3） FDS預測已釋出一半能量時其釋熱率與實驗結果相比較，誤差於9%

以內。誤差極小。

（4） FDS預測特定火源持續加熱時間與實驗結果相比較，誤差於15%以 內。惟燃燒後半之釋熱率預測稍低。

（5） FDS預測火場上層氣體溫度與實驗結果相比較，誤差於10%以內。

以上足以驗證FDS之模型準確度。

4.Work by Zou and Chow［12］

學者Zou and Chow，利用一類似於ISO標準空間之區劃並使用不同尺寸之 油盤燃燒提供不同之釋熱率最高達2.6MW及控制該區劃通風達能產生閃

燃之結果，以此全尺寸實驗結果與FDS 3.01模擬(93,000個均一格點)結 果相比較。其結論為預測閃燃後火場之溫度與幅射熱通量於上述特定實 驗設計下，其準確度與實驗結果極為符合。惟其有特別提到於冷卻階段 時，FDS預測之區劃溫度低估達40%。

5.Three Dimensional Simulation of Fire Plume Dynamics［13］

Baum等人以FDS v1.0 模擬單一火源，並定義火柱最小長度尺度 (minimum length scale)以火源特徵直徑(characteristic fire

diameter)

D

寬45m×高22m 之飛機棚中心放置熱釋放率15MW 尺寸3m×3m 之JP-5燃料 火源燃燒實驗，並比較實驗與FDS模擬結果，其結論表示FDS可精確模擬 單一火源溫度及氣流速度變化，並提出若欲正確的模擬單一火災煙流燃 燒情形，格點尺寸以0.1

D

6.Validation of Fire Dynamics Simulator (FDS) for forced and natural convection flows［14］

學者Smardz於此研究中以FDS 4.07模擬與小尺寸實驗中驗證FDS對於強制 與自然對流預測之正確性。其發現於其設計之實驗中，FDS預測氣體流速 與溫度可達5~20%之誤差(與質量及熱傳導有關)。惟此實驗乃針對較簡單

之火場情境，其釋熱率被優先決定並作為模擬輸入條件。且此研究亦證 實前人研究關於模擬格點大小將影響模擬結果之精確度，較大之格點與 實驗結果相比較其誤差甚至大於20%。

7.大空間中庭建築性能式煙控系統設計分析［15］

國內學者李訓谷以FDS 1.0模擬中國科學技術大學大空間火災實驗廳之全 尺度大空間中庭建築火災實驗並與上述實驗結果相比較。其與比較分析 結果顯示，利用場模式法可準確預測出火災產生之濃煙的流動現象以及 煙層沈積速率。文中並以以一個20cm×20cm 的油盤燃燒（熱釋放率＝

24kW ）測試模擬格點的解析度。計算區域為1.5m 長、1.5m 寬、3.5m 高。

其結論為利用LES model 模擬中庭建築發生火災時之煙沈積與流動現象 的最大格點尺寸為 0.1D ^* 。

8.以FDS 預測ISO 9705 房間試驗火場情境之可行性研究［16］

國內學者黃雄義以FDS 3.1為模擬工具，評估FDS 替代房間試驗之可行 性。其發現軟體準確度與使用者所輸入之格點配置條件及材料參數影響 重大。其研究結果顯示R*＝0.05 時可獲得單一火源熱釋放率、溫度、氣 流速度、火焰高度準確模擬結果為最佳使用格點尺寸。非均勻格點配置 上以寬高比在1:2 時可獲得最佳結果。Multi-block 區塊間格點重疊方 式不同雖會影響模擬結果但差異不大，另在非火源區塊較大格點與火源 區塊格點有效使用比例為1:3以下較為適當。其結論表示若火場條件未涉 及可燃物延燒時較能準確預測地板熱通量及天花板附近氣體溫度，但延

燒發生時，則無法準確評估房間溫度及閃燃現象，此外對於房間氧氣、

二氧化碳及一氧化碳濃度變化均無法準確預測。

9.大空間建築性能式煙控系統設計之3D CFD電腦模擬分析與全尺度實驗印 證［17］

國內學者葉琮勤以FDS 3.1模擬與全尺寸(面積10300㎡，高20m)實驗比較 大空間性能式煙控設計與傳統法規式排煙設計性能孰佳。其結論中於FDS 預測煙層高度與實驗結果相比較，其誤差分別為13.33%與18.31%。且240 秒內FDS模擬與全尺寸實驗之煙沈積結果相當吻合，印證FDS模擬運用於 建築物性能式煙控系統設計之可靠度。惟300秒後，由於全尺度實驗之燃 料慢慢用盡，不似FDS模擬中持續供應燃料，故兩者之結果開始有較大之 誤差。此研究並於實驗中收集其煙層溫度量測結果，並採用NFPA 92B 中 N百分比法判定煙層高度，於N百分比法之N值取N=60% 時與全尺寸實驗結 果印證，其高度幾近相同，故亦驗證NFPA 92 B中N百分比法所預測之煙 層高度。

10.密閉空間火場模擬及熱應力分析［18］

國內學者邱健倫以FDS模擬暫態的密空間的火場，再以文獻的實驗驗證 用大尺度渦流模擬(LES)法在模擬房間紊流流場及溫度分佈之能力，並依 Smagorinsky模式裡不同經驗參數的模擬結果根據實驗數據來加以分析 比較，結果發現影響結果好壞的因素為網格大小，網格邊長取1/10特徵 火焰直徑及Cs=0.16時在溫度場的預測平均誤差低於3%，在靠近天花板位

置也只有4%左右的誤差，顯示結果已優於先前文獻的模擬結果。與Cs (Smagorinsky constant)，在與Steckler實驗比較驗證後發現計算領域 大小因邊界條件限制亦對結果造成誤差。模擬後結論在通風口的速度場 及溫度場分佈與實驗數據比較都有令人滿意的結果。