開放空間 FDS 木框架燃燒模擬分析

本研究另一個主題為 FDS 模擬運算，原本的構想是希望能夠透過 FDS 模型參數的修正，使 FDS 的模擬能接近實驗結果，進而利用修正 過後的參數資料，來進行數值實驗，並與實驗結果比對，以達到數值 實驗的預測功能。因此本研究選擇煙罩下的木框架燃燒實驗結果作為 模擬對象，FDS 的模擬進度如下所述。

一、火源設定

由於影響 FDS 模擬準確度的因素有許多，其中材料參數算是影響 甚巨的，由於 FDS 在材料特性上有許多的設定，且各個參數兼有交互 作用，因此要如何釐清各參數的影響，使模擬結果可以與實驗結果接 近，又符合物理意義，需要多方面探討。因此於本節中，將針對數個 材料參數對於模擬出熱釋放率變化曲線的影響進行研究。

於本節中，吾人將使用陳建忠（2007）研究之實驗數據中ISO9705 煙罩下木框架的燃燒作為模擬對象，進行FDS模擬。該實驗係以酒精 膏作為引燃火源，（如圖 4-3 所示）。此處主要取用實驗值的平均值 來設定FDS模擬燃燒器所需要的熱釋放率變化歷程，此火源的熱釋放 率歷程以及FDS模擬結果如 圖所示。後續FDS模擬所使用之火源設定 即是以此做為基準。

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圖 4-3、乙醇火源熱釋放率量測實驗與 FDS 模擬

0 200 400 600 800 1000

time (sec) 0

10 20 30 40 50

HRR (kW)

fds simulation

exp. ethanol pan burner

圖 4-4 乙醇火源 FDS 模擬與實驗熱釋放率歷程比對 二、FDS 模型設定與實驗比對對象

完成火源設定之測試後，吾人即進行 ISO9705 煙罩下的木框架熱 釋放率模擬，模擬對象為陳建忠（2007）自行研究案中的案例，該實 驗條件為 45 支經烘乾木條，以一層 3 支，堆疊 15 層的方式擺放，木 框架中央正下方為前述乙醇火源，實驗配置如圖 4-5 所示，實驗歷程

第四章 設計火源參數彙整與 FDS 木框架燃燒模擬分析

-500 0 500 1000 1500 2000

Time (sec)

Rate of Heat Release (kW)

-50

Total Heat Released(MJ)

Total RHR Total THR

圖 4-6 實驗熱釋放率歷程

（陳建忠 2007 自行研究案）

由圖 4-6 所示的實驗歷程，500 秒之前，基本上是屬於木框架引

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由 McCaffery(1989)所提出的火災之特徵直徑(characteristic fire diameter) D*是決定格點大小之另一種方式，D*公式如下：

5 驗值相吻合，因此，進行 FDS(LES model)火災模擬時較適當的格點 尺寸應為 0.1D*，由於本研究中，木框架燃燒實際量測到的數值約為 400kW～700kW，算出之 0.1D*約為 0.05m，因此，本研究採用運算格 點尺寸大小為 0.05m(0.1D*)應屬合理。

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圖 4-7 FDS 木框架開放空間燃燒模型

所建立好之 FDS 模型，使用反應參數以及材料性質取自 FDS5 手 冊中，第 18 章驗證中之木頭反應項（WOOD）以及杉木（SPRUCE）材 料性質開始模擬。性質列表如表 4-6 所示。主要參數為 REAC，以 wood 的反應性質來代表整體化學反應，木條材質為 SPRUCE，主要由 SPRUCE_VIRGIN 以及 water 組成。而 SPRUCE_VIRGIN 於燃燒時，則會 產生可燃氣以及 SPRUCE_CHAR。下表所列反白部分為後續模擬將調整 並探討之參數。

表 4-6、FDS 木框架模擬所用重要參數列表

&REAC ID='WOOD', C=3.40,

H=6.20, O=2.50, N=0.00,

IDEAL=.TRUE.,

EPUMO2=1.1020000E004,

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CO_YIELD=4.3565517E-003,

MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT=7.6000000E003/

&SURF ID='SPRUCE', RGB=128,51,26,

TEXTURE_MAP='psm_spruce.jpg', TEXTURE_WIDTH=0.67,

TEXTURE_HEIGHT=2.44, BURN_AWAY=.TRUE., BACKING='EXPOSED',

MATL_ID(1,1:2)='SPRUCE_VIRGIN','Water', MATL_MASS_FRACTION(1,1:2)=0.99,0.0100, THICKNESS(1)=0.050

MASS_FLUX(1)=0.012/

&MATL ID='SPRUCE_VIRGIN', DENSITY=450.00,

N_REACTIONS=1,

HEAT_OF_REACTION=400.00, RESIDUE='SPRUCE_CHAR',

REFERENCE_TEMPERATURE=320.00 THRESHOLD_TEMPERATURE=320.00,

SPECIFIC_HEAT_RAMP='SPRUCE_VIRGIN_SPECIFIC_HEAT_RAMP', CONDUCTIVITY_RAMP='SPRUCE_VIRGIN_CONDUCTIVITY_RAMP', REFERENCE_RATE=0.71,

RAMP ID='SPRUCE_VIRGIN_SPECIFIC_HEAT_RAMP', T=20.00, F=1.20/

RAMP ID='SPRUCE_VIRGIN_SPECIFIC_HEAT_RAMP', T=500.00, F=3.00/

RAMP ID='SPRUCE_VIRGIN_CONDUCTIVITY_RAMP', T=20.00, F=0.1300/

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RAMP ID='SPRUCE_VIRGIN_CONDUCTIVITY_RAMP', T=500.00, F=0.2900/

三、模擬參數調整與結果

目前研究中FDS材料參數之修改歷程如圖 4-8 所示。test1 與 test2 為使用FDS5 內建之材料性質，與實際實驗結果差距甚遠，因此 後續不予考慮。test3 開始，使用之材料性質為VTT研究單位Jukka

（2004）等人利用FDS進行模擬與實驗比對的研究報告中節錄（表）。

之後的模擬歷程，主要是針對與模擬結果與實驗間的差異，試圖修改 特定參數來使FDS模擬所得之熱釋放率曲線能夠接近實驗值。

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圖 4-8 FDS 模擬參數修改歷程

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由圖 4-9 可知，在 test10 之前所調整的參數，對於熱釋放率曲 線的影響程度不大，一直到調整 mass_flux 之後才有明顯之效果，在 這個過程中，調整過 reference_rate、熱性質(conductiveity 與 specific_heat)的反應熱（heat_of_reaction）等設定，所得到之熱 釋放率曲線，與實驗直有明顯的不同，即在一開始就達到最大熱釋放 率，並維持一個熱釋放率高峰的平台，之後便熄滅。在將 mass_flux 這個參數刪除後，木框架便無法被引燃（test9），影響程度明顯，

因此從 test10 開始，便嘗試調整 mass_flux 此一參數，來設法使熱 釋放率曲線能夠與實驗值更接近。

持續測試之後發現，mass_flux 與熱釋放率最高值以及熱釋放率 成長階段的斜率有明顯的關係，熱釋放率最高值熱釋放率成長階段的 斜率與會隨著 mass_flux 值的降低而隨著降低，當 mass_flux=0.0033

（test17）時，熱釋放率成長曲線與實驗值最接近，由圖 4-10 所示，

但 FDS 模擬出的熱釋放率曲線顯示木框架分成兩階段燃燒，第一階段

由於調整 mass_flulx 僅能夠使熱釋放率成長期的曲線接近實驗 所量測到的，因此 test18-1～test18-7 嘗試在固定 mass_flux 為 0.0033 的狀況下，改變其他參數，觀察是否可以讓 FDS 模擬結果能 更貼近實驗的狀況。因此 test18-1～teset18-7 調整了 thickness、

nu_residual、threshold_temp、density 與反應項的 EPUMO2 等參數。

錯誤! 找不到參照來源。為模擬的熱釋放率曲線變化圖。由錯誤!

找不到參照來源。可之，當 thickness 由原本 0.05（test18）改成 0.025（test18-1）時（實驗用木條厚度），熱釋放率成長曲線基本 上與為改之前相近，但是達到火勢全盛期之後就立刻下降，並沒有熱

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釋放率平台的現象。在嘗試修改燃燒物轉換成灰份（char）的比例參 數 nu_residual 這 個 參 數 時 （ test18-2 與 test18-5 ） 發 現 ， nu_residual 的增加，會使得延燒成長點延後，此時熱釋放率成長段 的曲線與實驗值最為接近，但後期的第二段火勢成長，還是與實驗現 象差距甚大。

0 400 800 1200 1600 2000

time (sec) 0

400 800 1200 1600 2000

HRR (kW)

exp test3 test4 test5 test6 test7 test8 test9 test10 woodcrib burning under ISO9705 hood

圖 4-9、test3~test10 木框架燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較圖

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0 500 1000 1500 2000 2500

time (sec) 0 woodcrib burning under ISO9705 hood

圖 4-10 test10~test18 木框架燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較圖 Test18-3 則是修改 threshold_temp，此參數控制化學反應開始 的臨界溫度，將此參數從 360℃降低到 280℃，可以很明顯看到木框 架燃燒時間提前，若把此參數調高至 440℃（test18-4）則木框架無 法被引燃。

由於 test18-5 僅在火勢成長階段與實驗值接近，後段的變化則 與實驗值差距甚大，因此基於 test18-5，吾人嘗試修改反應向中的 EPUMO2 值，將其由 11020 改至 8000（test18-6），期望能夠將第二 段的火勢成長降低，結果反而加速火勢成長不如預期。於是嘗試修改 木框架性質的 density，由 450Æ500 （test18-7），期望能透過較 高的密度，使得延燒減緩，結果如預期，火勢成長延後，但是還是依 舊出現第二段的火勢成長。

截 至 目 前 為 止 ， 的 參 數 調 整 研 究 發 現 ， mass_flux 、 threshold_temperature、density 與 EPUMO2 等，對於木框架於煙罩 下燃燒的模擬均有影響，但調整這些參數依舊無法使 FDS 模擬結果能 完全貼近實驗值，僅能在火勢成長階段可以接近實驗結果，並無法模 擬整個燃燒歷程，原因還待後續研究期程再行探究。

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0 500 1000 1500 2000 2500

time (sec) 0 woodcrib burning under ISO9705 hood

圖 4-11test18-1~test18-7 木框架燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比 較

由以上的模擬結果，吾人可之test18-5 所設定的參數性質能所模 擬所得熱釋放率成長曲線與實驗量測值最接近。因此，吾人嘗試改變 者是簡單的 multi-step 可以代表，因此在變更木框架排列時，FDS 的預測能力便不存在。

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85 0

100 200 300 400 500 600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

time (sec)

HRR (kW)

exp-9pk (96.11.14-4) fds-9pk-teset1

圖 4-12 一層 9 支，45 支木條於煙罩下燃燒實驗與 FDS 模擬比對

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