第四章 FDS 火災模擬結果與討論
第三節 情境 1 之模擬結果
吾人將設計情境 1 細分為五個場景，其邊界與起始條件設定可參見 表4-4，表中Q 為垂直通風道壁面之熱通量，S Vo為戶外風速，Q 為氣態F 燃燒器的熱釋放率，而td為開啟氣態燃燒器的時間。
表4-4 情境 1 之不同場景條件設定
場景 QS(W/m2) V (m/s) o Q F(kW) t (s) d 風向 火源位置
場景1-1 600 5 0 0 南側 無
場景1-2 600 5 3000 100 南側 Room 1
場景1-3 600 5 3000 100 南側 Room 2
場景1-4 600 5 100 120 南側 Room 1
場景1-5 600 5 100 120 南側 Room 2
場景1-1為模擬外風速5 m/s 所產生的自然通風情形，設定為戶外標 稱風速為5 m/s，由圖4-1 的南方吹過來，房間1內部無火源。
場景1-2為模擬外風速為5 m/s 且室內已存在自然通風流場時，若房 間1有一3MW火源產生，其火災煙流情勢為何？外風速設定與場景 1-1 相同，房間 1 之氣態燃燒器則設定為產生 3MW 的熱釋放率，等待 100 秒使室內建立自然通風流場後才開啟。
場景1-3為模擬當室內已存在自然通風流場時，若房間 2有一 3MW 火源產生，其火災煙流情勢為何？此自然通風對火災煙流的影響，房間2
的氣態燃燒器在外風速 5 m/s的場景下，等待 100秒使其建立自然通風後 才開啟。
場景 1-4為模擬在外風速5 m/s且已存在自然通風流場的場景下，若 房間 1 發生較小火勢的火災，其煙流情勢為何？外風場設定與場景 1-1 相同，內部氣態燃燒器則設定為 100kW，在等待 120 秒使其建立自然通 風流場後才開啟。
場景1-5則模擬當室內已存在自然通風流場時，當房間2有一100kW 的火源產生，此自然通風對較小火勢的影響，相同地，吾人先模擬無火 源的自然通風 120秒，建立自然通風之後，才開啟 100kW氣態燃燒器。
（1）流場結構
圖 4-4 為由軟體 Smokeview 所取得的屋外空間速度向量圖，風由南 側吹過來，圖 4-5為場景1-1在時間 600秒時之室內速度向量圖，吾人僅 探討一號門(door1)、三號門(door3)與垂直通風道(shaft)此較重要的三處位 置。先由場景 1-1 來檢查是否建立自然通風流場，以及其流場結構為何？
首先來看一號門的位置，氣流可順利的由一號門進入室內再由一號通風 口(vent1)排出，而三號門位置則因流場於建物尖產生 separation的流場結 構，外風在三號門南側形成一迴流區，造成三號門位置的流場較紊亂，
無明顯的進氣或排氣行為，圖 4-6為此自然通風路徑之示意圖。
(a) FDS 模擬結果
(b) 利用CFD軟體（Phoenics）細部觀察流場結構
圖4-4 南側進風，外風速 5 m/s（情境 1）建築物外部流場結構
(a) door1 (b) door3 (c) shaft 圖 4-5 場景 1-1 之 door1、door3、shaft 速度向量圖
圖 4-6 情境 1 自然通風路徑示意圖
（2）體積流率
圖4-7為情境1各場景之體積流率，在此也只探討一號門(door1)、三 號門(door3)與垂直通風道(shaft)此較重要的三處位置，首先由(a) 場景 1-1 的體積流率得知，在單純自然通風的狀態下，一號門位置的體積流率為 正值（0.3 m3/s=1080 CMH），代表外風進入經由一號門進入了屋內，而 垂直通風道的體積流率為正值則表示垂直通風道將屋內的空氣排往戶 外，由這兩個現象即可說明此時屋內建立了自然通風的流場，而三號門 位置的體積流率則是幾乎為零，這是因為在三號門位置受到戶外大型迴 流區的影響，在三號門位置的流場較紊亂，進入屋內的外風與從屋內流 出的空氣量幾乎相等，所以總體積流率約為零。（備註：在FDS 的結果呈 現上，風量的正負值係代表空氣流動的方向）
圖4-7(b)為場景1-2的體積流率，此為在一號房有 3MW火源的場景，
由圖4-7(b)中可明顯看到，一號門的體積流率在點火後變為負值，這是因
為點火後大量煙氣由一號門竄出，由門口排出的煙量大於流進屋內的空 氣量，造成一號門出口流量大於入口流量，所以一號門位置的體積流率 變為負值，圖 4-8 為場景 1-2 一號門位置在時間為 500 秒時的溫度截面 圖，由圖可看到高溫的煙氣由門口竄出，而垂直通風道(shaft)位置的體積 流率也變大，這也是因為大量煙氣從垂直通風道排出，造成出口流量大 增，而三號門位置則未受到火源的影響，所以仍然保持在進氣與排氣平 衡的的狀態。
圖 4-7(c) 為場景 1-3 之體積流率，此場景的火源放置在 Room2，火 源大小為 3MW，可看到其體積流率變化類似於場景 1-2，一號門的體積
流率在點火之後就變為負值，而垂直通風道的位置的體積流率則是在點 火後則上升，由於場景 1-3的火源位置較靠近一號通風口(vent1)，所以經 由垂直通風道拍出的煙氣會比場景 1-2還多，由圖4-7(b)(c)也可觀察到場 景1-3垂直通風道的體積流率曲線比場景1-2垂直通風道的體積流率曲線 高一些，即可說明這個現象。
圖4-7(d)為場景1-4的體積流率，此場景在Room1有100kW的火源，
由體積流率的圖形可看到，一號門與垂直通風道的體積流率皆有些微的 上升，由於本場景的火源設置為 100kW，煙氣量較少，而一號門位置又 有貫流進屋的外風，所以煙氣無法有效的由一號門排出，而一號門此時 又因為室內有火源的關係而變成了補氣口，由於排煙現象不明顯，又多 了補氣的現象，所以一號門的進氣量較純自然通風時的進氣量還大一 些，圖 4-9 為場景1-4 一號門位置在時間 500 秒的溫度截面圖，由圖4-9 可看到高溫煙氣無法從一號門竄出而累積在屋內的上方，下方則有外界 的冷空氣向內流入，而垂直通風道則因為大量煙氣排出所以體積流率上 升。由室內溫度分佈狀況，吾人約略可推衍出火場延燒的趨勢，建議後 續可依實際裝修狀態，將此課題深入探究。
圖 4-7(e)為場景1-5的體積流率，此場景在Room2有100kW的火源，
在一號門位置與垂直通風道的體積流率曲線也是較純自然通風時還高一 些，原因與上述原因雷同，由於煙氣受到貫流風向的影響，無法有效的 從一號門排除，一號門又成為了室內火源的補氣口，一號門的體積流率 上升，而垂直通風道則是因為煙氣由垂直通風道排出，所以體積流率上 升，而場景 1-5 的火源在 Room2，更靠近一號通風口(vent1)，所以由垂 直通風道排出的煙量較場景 1-4多。
0 100 200 300 400 500 600 700 800
(a) 門口位置 (b) 西側近牆處 圖 4-8 場景 1-2，一號門之截面溫度圖(t=500 s)
(a) 門口位置 (b) 西側近牆處 圖 4-9 場景 1-4，一號門之截面溫度圖(t=500 s)
（3）煙層分布
圖4-10到圖4-13為場景 1-2到場景1-5 不同時間之煙流圖，在此將 設定一般人的呼吸帶高度為 1.5m，所以此處的煙流圖將特別注意煙層下 降至1.5m 時所需的時間。圖4-10 為場景1-2 之煙流圖，在點火後 10 秒 煙層即開始累積，點火後20秒 Room 1的煙層即下降至1.5m，而 Room 2 的煙層則是在點火後40 秒下降至 1.5m，點火後 90 秒，兩間房間即充滿 了煙氣，雖然煙氣可從垂直通風道與一號門的位置排出，但由於火勢過 大，室內產生的煙量實在太多，排煙口的面積過小，導致無法有效的將 大量煙氣排出，造成屋內被濃煙充滿的現象。
在避難逃生方面，位處Room 1（亦為火源室）的人看到起火後至少 還有20 s 的逃生時間（以煙層下降至 1.5m 時的時間來粗估）；等到 Room 1 內煙層下降至門的高度 2m 後，火災煙氣才會逐漸由 Room 1 流入 Room 2，因此，位處 Room 2（非火源室）的人有可能要等到此時才會警覺到 逃生之必要，使得避難逃生時間大為縮短。再者，位處Room 2 的人除了 向較高樓層移動逃生外，另一逃生途徑則是穿越火源室（Room 1）直接 向戶外逃生，如此，其實際可供逃生之時間僅剩：
min{（Room 1 煙層下降至高度 1.5m 的時間）減去（Room 1 煙層下 降至高度2m 的時間）；Room 2 煙層下降至高度 1.5m 的時間}
火場逃生風險相當地高。
圖 4-11為場景1-3不同時間之煙流圖，此場景火源設置在Room 2， 煙層在點火後 10秒即開始累積，20 秒後即下降至1.5m處，流進Room 1 的煙層也在點火候 40秒累積至1.5m，最後在點火後100秒煙氣即充滿了 兩間房間。
在此場景下，位處Room 2（火源室）的人其逃生時間為 Room 2 煙 層下降至高度 1.5m 的時間，且由於 Room 1 的煙層高度較高，由 Room 2
逃經 Room 1 時可安全穿越沒有火源之 Room 1，此時，逃生時間之主控
參數僅在於火源室 Room 2 之火煙下降情勢。
由場景1-2 與 1-3 的煙層下降狀況來評估避難逃生時間，可瞭解到距
離戶外較遠處的居室（亦即逃生距離較遠者），即使該室存在有自然排煙 設計可以延長煙層下降時間，如果逃生過程中必須穿越火源室，則逃生 時間之主控參數則為火源室之火煙下降情勢；再加上非火源室（例如場 景 1-2 之 Room 2）的居室者對於感受火煙存在有一時滯（time lag）效應，
使得避難逃生風險大增。此現象值得後續研究加以深入探討。
圖 4-12 為場景 1-4 不同時間之煙流圖，由圖可看到，煙層在點火後 20 秒開始累積，在點火後80秒 Room 1的煙層下降至1.5m，點火後240 秒 Room 2的煙層也下降至1.5m，而煙層最後會維持在約1m的位置（請 參閱圖 4-12(c)），在點火後480 秒，煙氣並不像場景1-2會充滿整個房間，
而是維持在 1m的高度，此時進氣與排煙達到一平衡狀態。
圖 4-13為場景 1-5不同時間之煙流圖，由圖可看到，點火後20秒煙 層開始累積，點火後 80秒 Room 2的煙層下降至1.5m處，點火後280秒
Room 1 的煙層也下降至 1.5m 處，由於火源在 Room 2 且煙量較少的關 係，場景 1-5兩間房間下降至 1.5m 的時間比場景 1-4 兩間房間皆下降至 1.5m的時間長，而煙層最後也維持在中性面高度，其中性面高度約在1.5m 處。
(a) t=110(點火後10秒)，Room1煙層 開始累積
(b) t=120(點火後20 秒)，Room1煙層 下降至1.5m
(c) t=140(點火後 40秒)，Room2煙層 下降至1.5m
(d) t=190(點火後90 秒)，煙氣充滿兩 間房間
圖 4-10 場景 1-2 不同時間之煙流圖
(a) t=110 點火後(10秒)，煙層開始累 積
(b) t=120(點火後 20秒)，Room2煙層 下降至 1.5m
(c) t=140(點火後40秒)，Room1煙層 下降至 1.5m
(d) t=200(點火後100 秒)，煙氣充滿兩 間房間
圖 4-11 場景 1-3 不同時間的煙流圖
(a) t=140點火後(20秒)，煙層開始累 積
(b) t=200(點火後80 秒)，Room1煙層 累積至1.5m
(c) t=360(點火後240 秒)，Room2煙層 累積至1.5m
(d) t=600(點火後480秒)煙層累積在上 方，沒有沉降至地面
圖 4-12 場景 1-4 不同時間的煙流圖
(a) t=140點火後(20秒)，煙層開始累 積
(b) t=200(點火後 80秒)，Room2煙層 累積至 1.5m
(c) t=400(點火後 280秒)，Room1煙層 累積至 1.5m
(d) t=600(點火後480 秒)，煙層累積在 上方，沒有沉降至地面
圖4-13 場景 1-5 不同時間的煙流圖