文獻回顧

Meng and Chow[2]建立一個趨近於 FIRM 的數學模型。其模型適 用於有開口之室內空間，由煙層下降於不同高度時，冷、熱空氣層壓 力變化造成空氣吸入及排出分析。由火場相關理論指出，在空間內火 源燃燒時，根據流體力學推導，室內存在一中性線，當冷熱空氣層高 於中性線時，火場壓力將大於室外壓力而造成空氣排出之現象。當冷 熱空氣交界線位於中性線時，冷空氣壓力與外界相同，所以不會排出。

而當交界線低於中性線時，外壓力大於空氣壓力，冷空氣層將吸入外 界空氣。此研究利用各種物理現象描繪火源，藉此趨近煙層真實情況。

並透過實驗數據加強模擬之可信度。

Zhu et al.[3]針對潛藏有高發熱量貨輪之貨艙進行簡易二層法之 研究，兩貨艙分別為 6m×5m×3m 和 8m×6m×3m，兩貨艙間之互通 面積為 1.5m×0.9m，利用發煙量之經驗公式、能量方程式與質量守恆 方程式計算出兩貨艙個別的溫度及煙層高度。最後其結果與 CFAST 火災模擬軟體操作之結果相當接近。

Keichi et al.[4]有別於之前二層的方法，首先提出多層區域模擬。

並建立統馭方程式，以及模型架構。Chen et al. [5]繼續將 Keichi 的模 型發展，並假設熱輻射的影響為 30%，且不忽略熱輻射下去推導出完 整的數學模式，並與實驗相互比較，結果顯示，忽略熱輻射會造成較 大的誤差，其中，以 Chen 的假設之熱輻射會更符合實驗之趨勢。並 且使用此方法比一般 CFD 更節省電腦時間，與計算量，更有效率的 求得所需之數據。

Harada[6]將 BRI2002 與實驗以及多層區域模擬作一個完整的計 算模型報告，他提出在某些情境下，二層法的近似是不夠精確的，但 是多層法可以解決這個問題，並且在多層下，可以完整的模擬火場發 生歷史，讓使用者能更便捷的設計防火上的需求。

4

L. Yi et al.[7]使用簡易二層法預測天井前廳之燃燒情境。情境一 共分為三種：煙層高度高於補氣口、煙層高度低於補氣口、煙層高度 位於補氣口，並以相同尺寸之燃燒模型實驗驗證其預測之真實性。此 外，並使用 FDS、CFD、CFAST 知名軟體做火場分析對比，其結果 以 CFD 與簡易二層法和實驗最為接近。本篇論文指出，當煙層之高 於樓層之安全高度時，低於煙層高度之補氣孔提供之空氣與作用之抽 風口可讓火場不致快速惡化，可讓人安全逃生。當補氣口高度高於煙 層高度時，送風口之空氣會直接進入煙層，諸如此類的情況應該被避 免，因為混入的空氣會加速下沉之煙層，而在此情況下，煙層溫度會 逐漸下降。

Chow et al.[8]等人藉由實驗及數學模擬，點出了早期對簡易二 層法上下煙層不會混和的盲點。在一個有機械排煙裝置之挑高中庭的 情況下，增加機械排煙之排煙率並不一定能使煙層高度停留得越高，

而是取決於煙層是否會形成一個穩定且乾淨的狀態。因此，當混和的 流動穿越煙層時勢必會成為問題所在，因為通常簡易二層法中不會假 設有任何質量流率穿越煙層。然而，從本研究之實驗指出，在有機械 排煙狀態下之煙層質量將不守恒。從本篇中初步的實驗指出，穿越煙 層高度之質量流率將是機械排煙機排煙質量的百分之三十，而這項數 據對將來預測在挑高中庭且具備機械排煙情境下的簡易二層法來說 會是一個修正。

Huo et al.[9]由實驗之方法探討煙層是如何在挑高建築物中擴散 開來。在方程式中探討到煙層之所以在挑高區擴散開原因是鄰近區塊 的煙已經完全發展波及到陽台之原故。本篇研究啟用兩種不同的發煙 量產生公式，分別為 Zukoski [10]和 NFPA-92B[11]，其結果與實驗相 互對照。文中亦提到，通風口之因素在描述火源是否形成閃燃現象佔 了很重要的角色。在通風口因素低且熱釋放率低的情況下，閃燃很容 易就發生。然而，本篇論文點出，在通風口因素較高之情境下，挑高

5

空間產生的發煙量會更多，煙層下降速度會越快。

Hu et al.[12]透過同比例地下道之燃燒實驗探討補氣口設置位置 及排風煙機在不同操作時間對煙層排出過程之影響。結果顯示，當補 氣口位置與排風煙機鄰近時，即使排風煙機排風率在高，對煙層控制 之影響仍越差。在地下道中，一個好的排煙系統應該具有能在起火點 附近把煙排出且把空氣送的深遠之功能。監控系統是必須具備的，對 於火災時那些遠離火點之排風煙機及離起火點太近之補氣口可有效 關閉外；亦可對火災時那些遠離火點之補氣口及離起火點太近之排風 煙機可有效開啟。一般認定當火災發生時，防火設備啟動越早越好。

但本實驗以針對啟用時間之兩組實驗對照比較，結果顯示，排風煙機 啟動越早對煙層控制就越差。比較好的啟用時間，應該是當煙層累積 一定高度時啟用，效果最佳，特別是本次實驗的又低又長之地下道。

當補氣口離排煙風機太近時，會發生類似“短路”之現象；而補氣口離 火源太遠時，風壓下降太快以至於無法傳達至火源點。文中所示，排 風煙機啟動太早導致煙層不穩定，當煙層太稀薄或未觸及排風煙口時，

排風煙機只會把新鮮空氣排出；但也不可啟動過晚導致人員逃生困 難。

Li et al.[13]由實驗和數值模擬探討火場時撒水器對煙層高度之 影響，將撒水器水滴之拉力(drag force)與空氣之浮力(buoyancy force) 數值化做運算並與實驗結果相互對比。所有撒水頭之火災現場，煙層 會因為水滴之拉力造成煙層有一小段之墜落。由實驗結果顯示，當浮 力大於拉力時，煙層會呈現穩定之狀態；而當浮力小於拉力時煙層會 呈現不穩定之狀態，且當撒水頭水壓越增加時，煙層下降高度會越高 並呈線性成長。

Frederick et al[14]針對挑高中庭等建築物之火災情境電腦數值分 析方法逐漸被探討，然而針對許多物理現象之演算方法也是相當重要 的評估工具，此篇研究針對許多物理演算法之演化有相當多的琢磨。

6

最後經由實驗數據之比較發現，這些代數公式的應用可以相當的廣泛，

此種方法在改變火焰的性質及煙層的描述上之探討相當的方便；然而，

此方法在火場裡啟動風機的 600 秒後無法給予準確的預測，在此情況 下代數方程式只能針對啟動風機前之火災行為進行評估。

Zhuman and George [15] 該研究分別探討所有與火災有關之物理 現象、數值方法及相關驗證等，並針對單間及多隔間居室推導相關簡 易二層法之一階微分方程式並考量相關變數如：壓力、焓值變化、及 上下空氣層之質量變化。對於其他物理現象也有相當多的介紹及探討，

其中包括：燃燒模型、自然對流、熱傳遞模式等…。此篇結論點出，

在處理火災存在之居室時僅需考慮一階微分方程式即可，而隔間之探 討須以非線性之代數方程式解決。而存在於煙層之焓值變化考量對該 程式評估有很大的幫助。

Jones and Forney[16]針對知名模擬軟體 CFAST 改善，其中特別針 對有毒氣體於多隔間之傳遞以及導入更新的物理現象探討垂直式自 然排煙及機械風機排煙，最後針對熱輻射之傳遞進行改善及探討。

Chung et al[17] 根據火災重大傷亡資料顯示，比起火焰絕大多數 的傷亡與煙層高度較有關係。此篇研究主要在於探討防煙捲簾(smoke curtain)在多重隔間(multi- compartment)發生火災時之功效外，防煙區 劃對避難逃生行為之探討。除此之外，該篇研究亦針對多重隔間不同 情境下之熱釋放率、煙層下降程度進行探討。雖然該研究並非直接針 對單一居室進行對外排煙口之實驗研究，但該研究皆由單一火載居室 排煙至各隔間，且實驗樣本多，故可用於本研究之比較。

Shi [18]為本研究室學長，針對目前簡易二層法進行程式撰寫與模 擬比較並探討無排煙情境下相同居室體積但不同面積之樓高比與自 然排煙情境下相同排煙口面積但不同面之寬高比對火煙之影響，其研 究結果顯示，在居室體積相同的情境下，樓高越高煙層下降的速度越

7

快;在排煙口面積同的情境下，開口遮蔽率及開口下緣對排煙效果的 好壞有絕對的影響。

Petterson[19]利用 McLeans Island 的小型房間火災實驗(55KW、

110KW) 與 Navy Hanger 的大型火災實驗(5580KW、6670KW)，與 FDS 所建立的模型進行比較，且用 CFAST 建立 McLeans Island 的房間模 型，比較 CFAST 模擬之區域模式與 FDS 的場模式，他表示在小型房 間火災即紊流強度較弱時，且用三種格點加密(100mm、150mm、

300mm) 的比較結果下，FDS 在 100mm、150mm 的預測比較準確。

Roger[20]以 1/10 物理尺寸建造居室夾層火場模型，模擬露臺型煙 柱流(Balcony Spill Plumes)、附著型煙柱流(Adhered Spill Plumes)等各 種室內夾層之煙層流動情形，提供相關實驗數據及探討室內居室煙層 流動至中庭挑高空間之物理特性，並參考 SHEVS(Smoke and Heat Exhaust Ventilation System )作經驗公式的簡化及推導。

Kumar [21]利用理論數值計算方法探討邊緣效應之二維及三維露 臺型煙柱流之現象，並與相關 CFD 模擬軟體與 Roger 所進行實驗進 行比較，其結果發現當天花板高度等於三倍夾層高度時，其煙生成率 計算結果與實驗數據最為接近。

L. Yi [22]利用實驗探討居室外部風場對於簡易二層法自然排煙情 境之影響，引入相關排煙口壓力計算方法於簡易二層法中，並設計不 同排煙口及補氣口位置(迎風面、背風面、測風面)進行比較，探討風

L. Yi [22]利用實驗探討居室外部風場對於簡易二層法自然排煙情 境之影響，引入相關排煙口壓力計算方法於簡易二層法中，並設計不 同排煙口及補氣口位置(迎風面、背風面、測風面)進行比較，探討風