建築案例 挑高中庭 挑高中庭
(閣樓) 大型廠房 捷運車站(穿堂層) 捷運車站(月台層)
L 18 18 50 130 130
面積 W 18 18 18 12 12
高度 H 20 20 10 3 9
A/H2 係
數 0.81 0.81 9 173.33 19.26
一、火災模型
對照的火災模型為 McLeans Island tests (by the Civil Department at The University of Canterbury) [Fleischmann, 2000]，該實驗完成於 2000 年12 月。
本 研 究 首 先 以 一 文 獻 案 例 McLeans Island Isoroom illustration (reproduced from Nielsen (2000))，建立一個小型實驗空間，小型實驗空 間區域分別為7.2m 長，2.4m 寬，2.4m 高。其中火災房間為 3.6m 長，
2.4m 寬，2.4m 高，與另一個房間有連接著一個 0.8m 寬，2.0m 高的門 開口，而另一個房間之大小也為 3.6m 長，2.4m 寬，2.4m 高，而連接 2.4m 寬，2.4m 高開口直通大氣，如圖 5-1 所示。
圖5-1 McLeans Island tests(Civil Department at The University of Canterbury)
室內及室外溫度為20 (293K)℃ ，本實驗時間總為3600秒，其中前 1000秒假設火源未達穩定狀態而不列入分析，取1000秒到3600秒的平均 值作為比較基準。
整個區間含天花板，地板及牆壁均鋪設0.012 米厚的石膏板，外層 覆蓋 0.025 米厚的玻璃纖維板。火源係以一個液化石油氣(LPG)燃燒器
尺寸為0.3m× 0.3m ×0.2m ，底部離地板 0.1m，位於中心線上。實驗變 數為保持固定的兩組熱釋放率，分別為55kW 與 110kW，量測分佈於中 心線上橫剖面的溫度分佈，以比較接近火源處及遠離火源的模擬與實際 結果溫度場之差異，以判定格點所能容許放大範圍而不使模擬結果失真 的標準。
實驗所佈設之熱電偶如圖5-2 所示：
圖 5-2 McLeans Island tests 熱電偶佈設圖
從著火屋至未著火屋沿著中心線佈設九組熱偶器，編號 Tree#1~
Tree#4 分別位於著火屋 0.15，0.9，1.8，2.7 米處。編號 Tree#5~ Tree#8 則位於另一房間距中間分隔牆 0.9，1.8，2.7，3.6 米處。在每一組樹狀 編號處共有十三個熱電偶分別為於高度0.3，0.6，0.9，1.1，1.35，1.6，
1.85，2.1，2.15，2.2，2.25，2.3，2.35 與 2.375 米處。位於門開口的熱 電偶則位於離地板 0.1，0.25，0.4，0.55，0.7，0.85，1.0，1.15，1.3，
1.45，1.6，1.75 與 1.9 米高處。
本研究利用三種不同模擬軟體分別為CFAST、FDS、FLUENT。
其中CFAST 模擬火災為區域模式(Zone model)而 FDS、FLUENT 為場模 式(Field model)；CFAST、FDS 為 nist 發展之火災模擬專用軟體。
二、模擬模型
FDS 模型主要重現上述的實驗模型；兩個房間，一端開口，由一堵 隔間牆連接，隔間牆開一出入口。計算設定區域定義為2.4 米寬乘以 2.4 米高乘以包含隔間牆總長7.4 米的空間，隔間牆的厚度隨格點尺寸變化 取最小單位厚度。所有的熱偶器皆如前述位置佈設，火源的設定也依照 實驗模型設定位置與大小，如圖5-3 所示：
圖5-3 McLeans Island tests FDS 模型 (1)格點配置
整個計算區域取100mm，150mm，300mm 作立方格點切割，以反映 燃燒最主要的物理特性指向”垂直高度”，分別為 H/24，H/16，H/8。如 此可使燃燒特性或HRR 值更為精確地被突顯出來。
針對每一格點尺寸皆做兩組火源測試：55 kW 與 110 kW。整個房間的 璧面鋪設12mm 厚度的防火石膏板，石膏板外層再鋪設 25mm 厚度的 玻璃纖維。由於 FDS 無法計算複合材料的熱傳，因此以較厚且熱阻較 大的玻璃纖維為主要的傳導熱損計算。玻璃纖維的熱傳導性質如下表所 示：
表5-2 玻璃纖維熱傳導性質
ALPHA k Thickness 名稱 M2/s W/m･K m
數值 8.6E-8 0.036 0.025
二、數值模擬比較
實驗數據取燃燒開始後第 1000 秒至 3600 秒的平均值，為穩定狀 態的溫度分佈；燃燒開始後 1000 秒內為一般燃燒實驗達到穩定狀態所 需時間，依據燃燒成長曲線所得到較保守的經驗值。
FDS 計算結果亦根據上述理由取同樣的時間區段之平均值作為比 較依據。誤差精準度設定為實驗值的+/- 15％，比較結果如下所示：
圖5-4~圖 5-12 可看出 55kW 之實驗模型與 FDS 模擬模型比較的結 果，實驗數據以單點加一百分誤差線段來表示，以求證 FDS 計算結果 是否介於+/-15％的誤差容許範圍。
以上圖表顯示皆為相同趨勢。
使用100mm 與 150mm 格點尺寸的模型與實驗結果較符合。
使用300mm 格點尺寸的模型明顯地與實驗結果有較大的偏差。
由比較結果可以看出，300mm 的格點在接近火源處(具 LPG 燃燒器 房間)其計算結果誤差較其他兩種格點(100mm,150mm)高，如圖 5-4~圖 5-7 所示；遠離火源處(無 LPG 燃燒器房間)其計算結果誤差較低於火源 房間，如圖5-9~圖 5-12 所示。
如圖5-6 所示，本實驗所使用的格點尺寸在接近火源處全部無法與 實驗值相符合，且格點尺寸愈大誤差值也愈大。
由圖5-9 可看出 300mm 格點有某些不穩定的情形產生。
圖5-13~圖 5-21 顯示出 110kW 測試的實驗值與 FDS 計算值的比較 結果。所有 110kW 測試的溫度分佈圖，也將實驗數據以單點加一百分 誤差線段來表示，以求證 FDS 計算結果是否介於+/-15％的誤差容許範 圍。亦與55kW 測試的溫度分佈圖有相同的趨勢：
100mm 與 150mm 格點尺寸的模型與實驗結果較符合。
300mm 格點尺寸的模型與實驗結果有較大的偏差。
在火源正上方的溫度分佈，如圖 5-15 所示，於遠離火源處(接近天 花板)有相當好的預測值且格點尺寸愈小預測值愈接近；在火源表面則 當好相反，預測值誤差甚大且格點尺寸愈大誤差愈大。
圖5-15~5-21 皆顯示，300mm 格點模型在上層溫度較高處有較大的 誤差，不過相較於FDS v2 版的模擬結果，v3.1 版的格點數比較不影響 模擬結果。
由圖5-18 可看出 300mm 格點有某些不穩定的情形產生。
圖 5-22~5-21 顯示出 FLUENT 與 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈 在55kW 的案例中三種不同格點的狀態(100mm，150mm，300mm)，由 圖中綜合以上之結論可以得知，格點數越小，FDS 能模擬出的火災狀態 就能越接近實驗值。
圖 5-28~5-30 顯示出 FDS 模擬之三種格點 (100mm，150mm，
300mm)， FDS 模擬出的火災狀態。
而 FLUENT 由於使用了許多假設簡化(目前泛用型軟體為簡化問題 皆火災模擬會使用之假設)，模擬結果也有火災的現象，由圖 5-31 與 5-32 可以發現，與實驗值還是有一段差距。
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圖5-22 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-100mm-55Kw)
圖5-23 FLUENT 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-100mm-55Kw)
圖5-24 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-150mm-55Kw)
圖5-25 FLUENT 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-150mm-55Kw)
圖5-26 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-300mm-55Kw)
圖5-27 FLUENT 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-300mm-55Kw)
圖5-28 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-100mm-110Kw)
圖5-29 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-150mm-110Kw)
圖5-30 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈(Grids-300mm-110Kw)
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