建築防煙技術及實驗研究子計劃(II)大空間防煙性能模擬與現場實測基準之研究

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(1)內政部建築研究所. 研究計畫成果報告. 建築防煙技術及實驗研究子計劃(II) 大空間防煙性能模擬與現場實測基準之研究. 計畫主持㆟：蔡尤溪教授. 研究單位：財團法人中華建築中心委託單位：內政部建築研究所計畫編號：092301070000G1022 執行期程：九十二年三月至九十二年十二月中華民國九十二年十二月.

(2) 內政部建築研究所研究計畫成果報告. 建築防煙技術及實驗研究子計劃(II) 大空間防煙性能模擬與現場實測基準之研究. 計畫主持人：蔡尤溪教授顧. 問：馮俊益、林一聲. 研究人員：林啟基研究助理：陳昱勳、楊麗琳. 研究單位：財團法人中華建築中心委託單位：內政部建築研究所計畫編號：092301070000G1022 執行期程：九十二年三月至九十二年十二月.

(3) ARCHITECTURE & BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Research on standards of computer modeling and field test of smoke control performance in large spaces. BY Yew Khoy Chuah C. J. Lin Y. H. Chen L.L. Yang Dec, 2003.

(4) 摘. 要. 中文部分（含關鍵詞）. 關鍵詞：大空間、電腦模擬、技術基準建築大空間之防排煙設計不適用現有之防排煙法規，皆需以電腦模擬及現場實測結果作防煙性能分析送中央單位審查，又因我國尚未訂定相關之防煙性能分析測試技術規範，經常使造成審查上之不易。建築大空間如中庭之設計亦趨普遍，未來性能式法規之實施也需要有性能設計之指導方針，以利設計、分析及審查。當前電腦軟體已廣被用於煙流模擬分析，但尚未有對大空間煙流模擬分析之正確使用作研究，無法有較一致之可靠度。目前也尚未有大空間之火場劇本或技術基準供電腦模擬與實測之參考，送審案件皆各自引述文獻，造成性能設計與審查較無一致性。本案建議兩年之研究，於第一年(本年)作大空間煙流電腦模擬分析之指導方針研究，並完成第二年實測計畫之規劃，目的為於兩年時間完成建築大空間防煙性能電腦模擬及現場實測之參考規範，作為性能設計與審查之參考用。本計畫目前之進度包括： (1) 國外建築大空間煙控性能設計技術規範之收集與探討。 (2) 電腦模擬煙流方法之評估研究，主要為與文獻實測值之比較。 (3) 不同電腦軟體模擬大空間煙流之比較研究。 (4) 電腦模擬動態煙流之適當數值方法與運算參數設定之研究，考慮空間尺寸、火場劇本、及適當之電腦分析計算參數設定。後續將完成以上研究工作外，亦將配合另一子計畫進行大空間火場煙流實驗之規劃，作為第二階段研究之先期工作。本研究之成果將提供電腦模擬與測試之基準，較一致性之防煙性能分析結果將有利於未來性能式法規之實施，亦可作為性能設計之指導方針，以利大空間防煙設計、分析及審查。. I.

(5) ABSTRACT Keywords: Large spaces, computer modeling, technical standards The smoke control design of large spaces is often incompatible to the present smoke control code of Taiwan. Therefore computer modeling and field tests are usually necessary and have to be reviewed in the central government department. As technical standards are not yet established, and so often causes inconsistency in the results of computer modeling and field tests, and in turn causes uncertainty in the design review process. However, buildings designed with atria or large spaces are becoming popular. Moreover, the performance-based code in the future will also needs performance design guidelines to facilitate the design, analysis and review processes. Computer programs are already widely used in the smoke flow modeling. However, the proper applications of computer software are not yet studied. Inconsistent results are often obtained due to different software methods and settings. Also standard fire scenarios are not studied for smoke control in large spaces in Taiwan. Different sources of references often lead to different models of analysis. Therefore, inconsistent reviews can also be caused by this problem. This research project will take two years, with the computer model work done in this first year. The planning and design of experimental verifications in the second year will also be completed in the first year. Eventually a standard will be established for computer modeling and field test for smoke control performance of large spaces. The research progress until now include: a. Literature review of the technical standards of smoke control performance design for large spaces. b. Comparison of computer models of smoke flow, mainly comparison with test data from the literature. c. Comparison of computer modeling using different software methods. d. Study on the numerical methods and computation parameters; consider space dimension, fire scenario, and proper computation settings. The following research works will complete the above items, and will also work with the other project to plan for the experimental setup as a preparation for the experimental verification of smoke flow in large spaces, in the second year research. The research results will provide standards for computer modeling and field test of smoke control performance in large spaces, the more consistent results will help in the promotion of performance based code. Besides, it will provide the design guidelines for performance design, to facilitate the design, analysis and review of smoke control in large spaces.. II.

(6) 目. 錄. 中文摘要 ....................................................................................... I 英文摘要 ..................................................................................... II 目錄 ............................................................................................III 圖目錄 ..........................................................................................V 表目錄 ........................................................................................ IX 第一章緒論 .............................................................................. 01 第一節前言 ....................................................................... 01 第二節研究緣起 ............................................................... 02 第三節研究方法 ............................................................... 04 第二章大空間防煙基準之研究 .............................................. 07 第三章大空間煙流模擬研究分析 .......................................... 17 第一節文獻討論 ............................................................... 17 第二節研究方法 ............................................................... 20 第四章模擬假設與數值方法 .................................................. 23 第一節 CFAST 模擬假設與數值方法 .............................. 23 一、區域模式(Zone model)的基本假設 ..................... 23 二、 CFAST 模式架構 ................................................. 25 三、 CFAST 之物理與數學模型 ................................. 28 第二節 FDS 模擬假設與數值方法 ................................... 33 第三節 FLUENT 模擬假設與數值方法 ........................... 36 第五章數值模擬結果與分析 .................................................. 43 III.

(7) 第一節第二節一、二、三、. 前言 ....................................................................... 43 小型空間火災模擬 ............................................... 43 火災模型 ............................................................... 45 模擬模型 ............................................................... 47 數值模擬比較 ....................................................... 48. 第六章火災模擬研究 .............................................................. 65 第一節火災模擬問題 ....................................................... 43 一、模擬工具部分 ....................................................... 65 二、模擬火災劇本部分 ............................................... 66 三、人員避難與煙控系統之操作 ............................... 66 四、模擬結果表示方式 ............................................... 67 五、火災之劇本案例 ................................................... 67 六、大空間實測與模擬比較 ....................................... 75 第二節案例模擬結果與討論 ........................................... 78 第七章成果報告結論與建議 .................................................. 92 參考文獻 .................................................................................... 94 期末審查回覆. IV.

(8) 圖目錄頁圖 1-1 本計劃之執行流程. 06. 圖 2-1 T-Square 火災成長曲線圖. 08. 圖 2-2 不同煙層溫度對排煙效率之影響. 10. 圖2-3 排氣口面積需求與無煙害高度之關係. 10. 圖 2-4 輻射熱之安全距離. 11. 圖 2-5 大空間內軸對稱火場. 14. 圖 2-6 露台型之大空間火場(如起火點在通廊). 15. 圖 4-1. 31. CFAST 之組織架構圖. 圖 4-2 二層模式之控制容積示意圖. 32. 圖 4-3 簡易的網格點（Grid point）控體. 39. 圖 4-4 求解過程. 42. 圖 5-1 McLeans Island tests(Civil Department at The. 45. University of Canterbury) 圖 5-2 McLeans Island tests 熱電偶佈設圖. 46. 圖 5-3. McLeans Island tests. FDS 模型. 47. 圖 5-4. Tree1 熱偶組溫度分布圖(55kW). 50. 圖 5-5. Tree2 熱偶組溫度分布圖(55kW). 50. 圖 5-6. Tree3 熱偶組溫度分布圖(55kW). 51. 圖 5-7. Tree4 熱偶組溫度分布圖(55kW). 51. 圖 5-8. Doorway 熱偶組溫度分布圖(55kW). 52. 圖 5-9. Tree5 熱偶組溫度分布圖(55kW). 52. 圖 5-10 Tree6 熱偶組溫度分布圖(55kW). 53. 圖 5-11 Tree7 熱偶組溫度分布圖(55kW). 53. 圖 5-12 Tree8 熱偶組溫度分布圖(55kW). 54. 圖 5-13 Tree1 熱偶組溫度分布圖(110kW). 54. V.

(9) 圖 5-14 Tree2 熱偶組溫度分布圖(110kW). 55. 圖 5-15 Tree3 熱偶組溫度分布圖(110kW). 55. 圖 5-16. 56. Tree4 熱偶組溫度分布圖(110kW). 圖 5-17 Doorway 熱偶組溫度分布圖(110kW). 56. 圖 5-18 Tree5 熱偶組溫度分布圖(110kW). 57. 圖 5-19 Tree6 熱偶組溫度分布圖(110kW). 57. 圖 5-20 Tree7 熱偶組溫度分布圖(110kW). 58. 圖 5-21 Tree8 熱偶組溫度分布圖(110kW). 58. 圖 5-22. 59. 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. 59. (Grids-100mm-55Kw) 圖 5-24 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈. 60. (Grids-150mm-55Kw) 圖 5-25 FLUENT 模擬火源中心截面溫度分佈. 60. (Grids-150mm-55Kw) 圖 5-26 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈. 61. (Grids-300mm-55Kw) 圖 5-27 FLUENT 模擬火源中心截面溫度分佈. 61. (Grids-300mm-55Kw) 圖 5-28 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈. 62. (Grids-100mm-110Kw) 圖 5-29 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈. 62. (Grids-150mm-110Kw) 圖 5-30 FDS 模擬火源中心截面溫度分佈. 63. (Grids-300mm-110Kw) 圖 5-31 Tree3 Fluent 與 FDS 模擬比較. 64. 圖 5-32. Tree6 Fluent 與 FDS 模擬比較. 64. 圖 6-1. FMRC Wet Bench 實體燃燒實驗. 74. 圖 6-2 台南實驗室大空間，長約 41 公尺、寬約 23 公. VI. 76.

(10) 尺、最高處為離地約 29 公尺圖 6-3 實測之 5MW 煙沉降高度. 76. 圖 6-4. 5MW 火場之溫度分佈之 y 截面. 77. 圖 6-5. 5MW 火場之溫度分佈之 x-y 截面. 77. 圖 6-6. FDS 建立之幾何形狀. 78. 圖 6-7. FLUENT 建立之幾何形狀. 78. 圖 6-8. 125-125 格點配置. 80. 圖 6-9. 0.125m 格點均勻加密配置之火載量情況. 80. 圖 6-10. 125-125 格點捷運車站長向剖面溫度圖. 80. 圖 6-11. 125-200 格點配置. 81. 圖 6-12. 垂直 0.125m 水平 0.2m 加密格點配置之火載. 81. 圖 6-13. 125-200 格點捷運車站長向剖面溫度圖. 81. 圖 6-14. 125-250 格點配置. 82. 量情況. 圖 6-15 垂直 0.125m 水平 0.25m 加密格點配置之火載. 82. 量情況圖 6-16. 125-250 格點捷運車站長向剖面溫度圖. 82. 圖 6-17. 125-500 格點配置. 83. 圖 6-18. 垂直 0.125m 水平 0.5m 加密格點配置之火載. 83. 圖 6-19. 125-500 格點捷運車站長向剖面溫度圖. 83. 圖 6-20. 200-200 格點配置. 84. 圖 6-21. 0.2m 格點均勻加密配置之火載量情況. 84. 圖 6-22. 200-200 格點捷運車站長向剖面溫度圖. 84. 圖 6-23. 500 格點配置. 85. 圖 6-24. 0.5m 格點配置之火載量情況. 85. 圖 6-25. 500 格點捷運車站長向剖面溫度圖. 85. 圖 6-26. 200-200 格點配置. 87. 圖 6-27. CFAST 捷運車站煙沉降圖. 87. 量情況. VII.

(11) 圖 6-28. 125-500 格點配置. 87. 圖 6-29. FLUENT 模擬捷運車站. 87. 圖 6-30. FDS 挑高中庭格點配置與溫度剖面. 88. 圖 6-31. FDS 中庭模型格點配置與溫度剖面. 88. 圖 6-32. FLUENT 挑高中庭溫度剖面. 88. 圖 6-33. FDS 挑高中庭閣樓處格點配置與溫度剖面. 89. 圖 6-34. FDS 挑高中庭閣樓處格點配置與溫度剖面. 89. 圖 6-35. FLUENT 挑高中庭閣樓處溫度剖面. 89. VIII.

(12) 表目錄頁表 4-1 區域模式內所用之微分方程式. 30. 表 5-1 大空間模擬幾何形狀及建築案例. 44. 表 5-2 玻璃纖維熱傳導性質. 48. 表 6-1 火災成長曲線係數. 75. 表 6-2 本案之大空間模擬幾何形狀及建築案例說明. 90. 表 6-3 本案之大空間模擬格點數及電腦運算時間表. 91. IX.

(13) 第㆒章緒論第㆒節前言近年來台灣地區陸續完工啟用許多大型建築，諸如大型劇場、巨蛋體育館、大型購物廣場、航站大廈、捷運鐵路車站等。而此類建築為講求明亮、舒適的感覺，常於其中設計具備中庭或挑高空間。就火災安全工程的觀點而言，由於建築物內的大空間其區域特性是無法被區隔(compartment)成若干個防火區域，而且此種大型建築物常是人群眾多聚集之場所，因此若有火災發生在此區域時，大量產生之濃煙將會在建築物之大空間或中庭內沈積，並且蔓延至其他連接之鄰近區域，對人員之避難上有極大阻礙甚至會造成許多人員之傷亡。所以對具有開闊之大空間之煙害管理(Smoke Management System)設計必須詳加考慮。目前台灣各類建築物之消防系統設計所須遵循的消防法規，為 1996 年內政部所頒佈的「各類場所消防安全設備設置標準」，此消防法規中有關煙控系統部分，僅於條文中規定防煙區劃面積大小、防煙壁下垂之深度、排煙口位置與排煙量大小等相關參數之設計，為典型條例式法規之規定。舉例而言，「各類場所消防安全設備設置標準」第 189 條第 7 款中規定：「前款之排煙機應能隨任一排煙口之開啟而動作，其排煙量不得小於每分鐘 120 立方公尺，且在一防煙區劃時，不得小於該防煙區劃面積每平方公尺每分鐘 1 立方公尺，在二區以上之防煙區劃時，應不得小於最大防煙區劃面積每平方公尺每分鐘 2 立方公尺。故照目前台灣現行法規但地下建築物之地下通道，其總排煙量不得小於每分鐘 600 立方公尺」。以上規定之排煙量，被定為與樓地板面積成直接正比例關係。但. 1.

(14) 事實上，各類場所消防安全設備設置標準 189 條主要為適用於辦公室或住宅等建築居室部分之煙控系統，對於具備中庭或挑高之大空間等之建築物而言，實不適合使用與辦公室或住宅等建築類似之條例式消防法規，作為其火災煙控設計之依據。為了給予建築型態與使用上更大的自由，並確保消防設備能於火災發生時有效地保障人員的安全，利用性能式火災安全設計方法 (performance-based fire safety design method)為大空間建築之防排煙系統設計必然的趨勢。所謂性能式之設計首要設計目標，提供人員與財物之保護，再以設計上之功能來達到所設定之目標。然性能式之設計亦需有一些設計與測試基準作為參考，或作為性能設計之指導方針，以利大空間防煙設計、分析及審查。. 第㆓節研究緣起有關大空間建築防排煙系統之模擬方法，有縮小模型實驗、代數方程式計算及電腦程式模擬等三種方式，本研究以電腦軟體模擬探討煙控系統之性能。以電腦數值模擬研究火災主要可分為兩種方式，一般可區分為區域模式(Zone model)與場模式(Field model)兩種。所謂區域模式，是將建築物空間劃分若干個區域，每個區域內再劃分成物理、化學性質(如：溫度、煙、濃度等)均勻的高溫煙層與低溫空氣層，利用能量、動量、質量組成守恆原理，預測火災的成長、煙的流動，以及每個區域內的溫度、濃度分布情形。區域模式之求解方式為隱性(Implicit)型式，係利用高溫煙層與低溫空氣層之總守恆方程式與數值方法，代入輸入條件，疊代求出高溫煙層與低溫空氣層之物理特性。區域模式只能預測平均的場分布，此類工具均為二層模式，與 NFPA 92B[1]中之公式同樣受到面積與高度比例的限制。此類方法. 2.

(15) 的計算軟體有 CONTAMW[2]、ASET、CFAST、FIRST (Fire Simulation Technique)、HAZARD、FAST (Fire and Smoke Transport)、CCFM、 ASET、COMPF2、LAVENT 等[見 www.nist.gov]。而場模式如同計算流體力學(CFD)之計算方式，是將建築物空間劃分成多個控制體積(Control Volume)，且利用數值方法，將描述火災現象的動量、質量及組成成份、紊流參數等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，代入輸入條件重複疊代計算，模擬空間中各控制體積(即格點)之物理特性。預測火災發生過程中，每個格點的速度、壓力、溫度、濃度值。場模式亦為隱性型式。但由於需要的假設較少，因此對火災現象，能較仔細、正確的描述，而且能預測複雜形狀建築物內煙的流動；可應用在預測因為高溫所引起的煙流擴散行為，同時也可進行對於煙層溫度及濃度的計算預測。目前採用場模式可成功地模擬室內熱源，將室內空氣加熱之程度及煙流方向及大小。但現階段場模式，仍無法以自然對流的方式，模擬受熱空氣所引起的熱對流效應，另外場模式並沒有討論火焰延燒的現象，無法將燃燒過程真實的完全模擬，則為有待突破之處。採用場模式模擬，所需的計算時間長，且要高階的工作或電腦方能執行。此類的計算軟體有 FDS[3]、 STAR-CD、FLUENT、PHOENICS、CFX4、FLOW3D……等[見 www.nist.gov]。以上之討論本計畫研究目的為： (1) 當前電腦軟體已廣被用於煙流模擬分析，但大空間防煙性能電腦模擬分析方面尚未建立技術基準，無法有較一致性之模擬結果，而本研究將藉由多種軟體程式之比較建立大空間防煙性能電腦模擬之基準。 (2) 目前尚未有大空間之火場劇本或技術基準供電腦模擬與實測之. 3.

(16) 參考，送審案件皆各自引述文獻，造成性能設計與審查較無一致性，本研究擬於本年度建立典型之火場煙流分析模式與防煙性能之基準，以利未來性能式法規之審查。 (3) 本案建議兩年之研究，於第一年(本年)作大空間煙流電腦模擬分析之指導方針研究與電腦程式模擬基準，並完成第二年實測計畫之規劃，目的為於兩年時間完成建築大空間防煙性能電腦模擬及現場實測之參考規範，作為性能設計與審查之參考用。本計畫之重要性說明如下： (1) 建築大空間之防排煙設計不適用現有之防排煙法規，皆需以電腦模擬及現場實測結果作防煙性能分析送中央單位審查，又因我國尚未訂定相關之大空間防煙性能分析及測試技術規範，經常使造成審查上之不易。 (2) 建築大空間如中庭之設計亦趨普遍，未來性能式法規之實施也需要有性能設計之指導方針，以利設計、分析及審查。. 第㆔節研究方法針對所擬之研究目的，本計畫之研究內容與方法為： (1) 國內外建築大空間防煙設計技術資料之收集，本研究將收集相關之設計技術、標準與國內外大空間防煙案例資料。 (2) 大空間防煙性能基準之研究，本研究將參考國際性之標準，進行理論探討，比較國內之案例後，本研究將提議適當之設計與計算方法，以達到安全之煙害管理。 (3) 電腦模擬分析方法之研究，以典型大空間案例，如建築中庭 4.

(17) 或車站等以電腦模擬分析，研究防煙性能設計與逃生模式之計算基準。本研究採用 FDS 進行模擬，再與不同之數值方法及軟體做比較分析。FDS 應用的範圍為低馬赫數的流場分析，可分析與火災相關之溫度場、速度場、濃度場模擬計算， FDS 提供之物理模式應用如下： 1.室內及大氣中之各種火災問題。 2.建築物之排煙系統、撒水頭系統之模擬。 3.非壓縮流體之溫度場、速度場、濃度場之計算。本研究將所首先採用之基準工具為美國國家標準和技術研究院 (NIST, National Institute of Standards and Technology)所開發的 FDS(Fire Dynamics Simulator)，該軟體分別於 2000 年 2 月、2001 年 11 月、2002 年 11 月發行 Version 1、2、3 [3]，在 Windows 9x/NT/2000/XP PC 環境下使用，該軟體除了有針對火災設計的前後處理工具之外，尚有其他軟體所沒有的撒水頭模式，而後處理的工具為 smokeview，可對溫度場、濃度場等模擬結果作動畫展示，本研究採用 FDS 進行模擬，再與不同之軟體做比較分析。 (4) 性能測試方法研究，進行大空間火場煙流實驗之規劃，作為第二階段研究之先期工作。以實驗方法研究煙流及煙層之判定基準，如以目視、濃度檢測、偵測器或溫升等之可行性。 (5) 專家座談會召開專家座談會，以獲得大空間防煙性能模擬與測試基準之專家意見。. 本計畫之執行流程如圖 1-1：. 5.

(18) 資料收集. 防煙設計研究. 電腦模擬方法研究. 實測規劃. 火災劇本研究. 不同電腦模擬方法比較研究. 實驗模式建. 電腦模擬計算基準比較研究. 實測項目規劃. 煙量動態模式研究. 防煙性能基準. 立. 量測方法研究. 研究. 實驗設計. 舉辦座談會. 修正研究成果. 期末報告. 圖 1-1 本計畫之執行流程. 6.

(19) 第㆓章大空間防煙基準之研究國際設計指引中對大空間防煙說明最多者為 NFPA 92B[1]，提供了大空間煙控系統設計的準則。NFPA 92B 內中容包含煙層自然沈積沈積、軸對稱煙捲吸質量流率、自然排煙量、連接區域的濃煙抑制風量等。在煙層自然沈積 NFPA 92B 提出穩定熱釋放率(steady fire)與非穩定熱釋放率(unsteady fire)的經驗公式。火源的設計對建築的煙控系統有決定性的影響，火源大小代表熱釋放率的量，熱釋放率會影響火源之成長速度，而且與火災煙塵產生量有直接的關係。一般火災強度的設定有穩態的火源（steady fire）、非穩態的火源（unsteady fire）以及實際量測火災成長曲線三種方法。在自然狀態下火源是非穩態的，但將其理想化成穩態的火源，較容易描述及研究。穩態的火源其熱釋放率為定值，在應用上，通常採用穩態的火源做為明確且保守的設計。Klote [4]說明商業與住宅建築每單位樓層面積之熱釋放率可估為 500kW/m2，而辦公室建築每單位面積之熱釋放率則為 225kW/m2，在特殊大空間建築中，可比照商業建築將每單位面積之熱釋放率估為 500kW/m2，對只有少許可燃物大空間，每單位面積之熱釋放率則可估為 225kW/m2。火源在發展期間的熱釋放率非常低，當火源成長至一臨界點後，其熱釋放率會與時間的平方成正比，如下: Q = α (t − to ) .......................................................................... （2.1） 2. 其中： Q：火源的熱釋放率，kW(Btu/s) α：火源的成長係數，kW/s2（Btu/s3） t：開始燃燒後的時間，s. 7.

(20) t0：有效的著火時間，s 上式即為消防安全工程設計上通稱的"t－squared fires"。NFPA 92B （2000）廣泛的使用成長時間的觀念，成長時間 tg 定義為有效燃燒之成長至 1,055kW（1,000Btu/s）之時間。圖 2-1 為 NFPA 對於火源強度量估算，NFPA92B（2000）廣泛使用之火災成長曲線，與時間平方成正比的 "t－squared fires"為假想之火災曲線。一般在檢討大空間之煙控策略時, 需考量可能的火場規模，國內案例多在 5MW 至 15MW 之間，未有共同認可之基準。. 圖 2-1 T-Square 火災成長曲線圖 Chow [5]採用 FIRST、CFAST、CCFM 及 FIRECALC 四種區域模式電腦模擬程式以及自行發展的 CFD 程式模擬三種型態中庭發生 t2 成長火災(穩定熱定釋放率=1.3MW)時煙層的自然沈積速率與煙層溫度。 Chow 利用無因次化方法-π 定理分析火災發生時實中庭與縮小模型之間的參數尺度關係。接著利用其參數尺度關係建立一個 1:25 縮小化三樓購物中心內中庭的模型，以 1.6MW 甲烷燃燒器模擬實際中庭發生 5.0MW 火災之情形，藉由溫度、速度量測以及自然排煙口質量流率， 8.

(21) 並與 CCFM 模擬結果比對，獲得不錯的結果。大空間煙控設計參考亦於國際性之標準，如 BOCA, UBC, IBC[6,7,8]。 NFPA 92B 指在設計上應考量之因素包括： (1) 大空間的高度、面積與防煙害的區域。 (2) 大空間與其通廊之使用情形。 (3) 通廊與大空間之區隔(如防火區劃)。 (4) 逃生之途徑。 (5) 避難之場所。 (6) 用於估算煙量之火災熱載量(包括燃料種類、量、起火點、通風量與自動滅火裝置。大空間之起火點可在內區或通廊，NFPA 92B建議在設計目標上應考量： (1) 在出口與往避難場所之途徑上維持無害之環境，使在內人員有足夠時間逃離。 (2) 使煙層維持在一個預定之高度。 (3) 讓消防人員可抵達找出火點並將火撲滅。 (4) 限制煙層溫度及毒氣濃度之快速上升，及維持空間之能見度。對於大空間自然排煙之設計 NFPA 92B 有一些指引，如圖 2-2 對於不同煙層溫度對排煙效率之影響，圖中以煙層溫升 400℉作為最高值，越高之溫升排煙量越大。圖 2-3 為排氣口面積需求與無煙害高度之關係，圖中顯示與火之大小關係較小，故欲減少煙層厚度就需將排煙口面積加大。. 9.

(22) 圖2-2 不同煙層溫度對排煙效率之影響. 圖2-3. 排氣口面積需求與無煙害高度之關係. 在維持無煙害方面，主要有三要點，在逃生期間人高度下之： (1). 能見度(距離)。. (2). 煙之毒性(通常以 CO 濃度表示)。 10.

(23) (3). 煙之溫度。. 火之大小尚需了解起火點之火勢會不會波及鄰近之可燃物，如圖 2-4所示，安全之距離可計算如公式(2.2)，以其計算火場之劇本，如大面積之易燃物被波及，火勢之大小與發展會有所不同。. (2.2) 其中 R = 原火場中心至鄰近可燃物之距離 (ft) Q = 火之熱釋放率(Btu/sec) q" = 可點燃之輻射熱通量(Btu/ft2·sec)，依物品種類，見Klote and Milke[4]. 圖 2-4. 輻射熱之安全距離. 在煙層高度之估算方面，NFPA 92B提供了穩態與暫態之計算公式，本計畫將大空間分成兩種型式，一為典型之大空間，如圖2-5所示。另一如圖2-6所示，為露台型之大空間火場(如起火點在通廊)，此型態之大空間見於車站(如月台與穿堂層)及部份大飯店。在圖2-5大空間內軸對稱火場，穩態火場煙層之估算公式如下：. 11.

(24) (2.3) 其中： z =火場上煙層之高度(ft) H = 火場上天花板之高度(ft) t = 有效燃燒後之時間(sec) Q = 穩態火之熱釋放率(Btu/sec) A = 煙層之面積(ft2) 公式(2.3)取自實驗，為保守之計算公式，當z/H > 1.0顯示煙層尚為下降，有效範圍在A/H2介於0.9至14之間，同時z/H <0.2。在圖2-5大空間內軸對稱火場，暫態火場煙層之估算公式如下：. (2.4) 其中： z =火場上煙層之高度(ft) H =火場上天花板之高度(ft) t =有效燃燒後之時間(sec) tg= 火勢成長時間(sec) 公式(2.4)用於t-squared 之火場，有效範圍在A/H2介於1.0至23，同時z/H <0.2。公式(2.3)與(2.4)適用於火燄高度之上，有效火燄高度以公式(2.5)計算之。 . (2.5). 12.

(25) 其中Qc為對流熱適放率，通常為熱釋放率之0.7。在煙產生量，NFPA 92B亦有提供估算公式，如圖2-5之對稱火場，其煙產生量之計算公式如公式(2.6)：. (2.6) 其中 m = 煙柱質量流率(lb/sec) z = 燃料以上之高度(ft) Qc = 對流熱釋放率(Btu/sec) 如圖2-6之火場，其煙產生量之計算公式如公式(2.7)：. (2.7) 其中 m = 煙柱質量流率(lb/sec) Q = 熱釋放率(Btu/sec) W = 煙柱在溢出露台時之寬度(ft) zb = 煙柱溢出後離露台頂之高度 (ft) H = 露台高度(自燃料到樓板(ft). 13.

(26) 圖 2-5 大空間內軸對稱火場. 14.

(27) 圖 2-6 露台型之大空間火場(如起火點在通廊) 當排氣風速過快，或煙層厚度部足時，排煙口所造成之流場可能會將煙層下之空氣捲入排出，所謂拉穿(plugholing)現象如此會影響有效之排煙量。為防止拉穿現象，排煙口之風量不宜超過公式(2.8)之計算值。. 15.

(28) (2.8) 其中 Vmax = 防止排煙口拉穿之最高風量(以排煙溫度計)(ft3/min) β= 排煙位置因子(無因次) Ts = 煙層之絕對溫度(oR) To = 環境之絕對溫度(oR) d = 排煙口下煙層之厚度(ft) 設於牆或天花板之排煙口如是近牆角β值取2.0，如設於離牆遠處則取2.8，再者d/D 宜大於2.0，D為排煙口之直徑，對於矩形之排煙口，D = 2ab/(a + b), a與 b 為排煙口之長與寬。對於通廊，其需逆向風防止煙流入以保持無害之逃生途徑，其最低逆向風速之計算公式如公式(2.9)。. (2.9) 其中 v = 風速(ft/min) g = 地心引力加速度(32.2 ft/s2) H = 通廊或開口之高度(ft) Tf = 煙之溫度(F) To = 周遭空氣溫度(F). 例如H = 10 ft，Tf = 165F(有撒水)，To = 70F，則最低逆向風速為270 ft/min(1.35m/s)。當溫度為Tf = 1640F(無撒水)，其最低風速需求為594 ft/min(~3.0m/s)。. 16.

(29) 第㆔章大空間煙流模擬研究分析第㆒節文獻討論建築大空間如中庭之防排煙設計關係安全甚大，但又無法純以傳統之分區防煙計算法為之，且其空間結構複雜並設計參數多，難以少數實測結果作為各種大空間防煙性能之預測。在 1990 年代末期個人電腦能力增強後，漸用電腦模擬輔助及印證大空間防煙之性能設計。因大空間之實際尺寸需大量之格點，直接數值解為不可行，且目前許多紊流模式用於大空間火場時也尚未能印證其之一致性。由於大空間火場在物理上存在不同之特徵長度，不易以簡易之格點密度原則獲得合理之計算結果，故以上問題已成為國際間之重要研究課題。針對以上問題，本研究探討在個人電腦可接受之計算格點數之下，較合理之電腦計算格點之分配，目標為(一)比較大渦流模擬(large eddy simulation)及雷諾應力模式(Reynolds stress model)模擬大空間火場時，不同個格點數下兩者之差異，(二)探討大空間火場之各種特徵長度，依不同之空間大小、流速及火燄特徵長度作格點分區疏密差異之分配，將格點大小參數化。本研究將研究以上計算之一致性(consistency)，以此結果作重要參數之建議，使未來在大空間火場電腦計算之格點疏密選擇有合理之依據。本研究將以一典型之大空間結構作分析，將火災模式之進排氣邊界條件作參數化考量，研究內容包括： (1) 大渦流模擬及雷諾應力模式在模擬大空間火場流場與溫度分佈之一致性之比較。 (2) 大空間在有火場時數值計算格點疏密之參數化研究。 (3) 動態模擬煙流之數值方法與運算參數設定之研究，考慮空間尺. 17.

(30) 寸、火場劇本、邊界條件及適當之電腦分析計算參數設定。計算流體力學(CFD，Computational Fluid Dynamics)之計算方式通常可分類成三種[9]:直接數值模擬(DNS， Direct Numerical Simulation)、大渦流模擬(LES, Large Eddy Simulation)以及雷諾平均數值模擬(RANS, Reynolds Averaged Navier-Stokes)。直接數值模擬(DNS， Direct Numerical Simulation)是直接求解流場之統御方程式 Navier-Stokes equations，並非以近似解來模擬紊流。然而為了呈現出所有的渦流－最大大到邊界尺寸，最小小到消散運動，其所需的格點解析度必須精細到克氏尺度(Kolmogorov micro-scale)，以雷諾數為 106 的三維平板邊界層流場為例，約需 5×107 的格點數(林，1992)。以一實際建築物條件(雷諾數約為 106)加以計算，則所需的格點數將達 5×1013。再者，對動態模擬而言，計算時間間隔必須小到得以解析最快速的變動量，其對計算能力之要求遠超過現今超級電腦的運算容量。因此，DNS 法不宜用在實際之火災模擬，對於大空間而言更為困難。 RANS 法則是使用紊流傳輸模式(Turbulence transport model)求解整體時間平均數之 Navier-Stokes 方程式，RANS 法依其對渦流黏滯係數 (Eddy viscosity)之計算方式，可分為紊流黏滯性模型(Turbulent viscosity model)以及以雷諾應力模型(Reynolds-stress model)等。目前使用最多之 RANS 計算法稱為 k-ε 模式，其將 turbulence stress tensor 張量中之 ui′u ′j 以下列公式計算之： ui′u ′j =. µt ρ.  ∂u i ∂u j  +  ∂x j ∂xi .  2  − δ ij k  3 . (3.1). 其中 µt 為 k 及 ε 之涵數，需同時解 k 及 ε，故稱為 k-ε 模式。大渦流模擬(LES, Large Eddy Simulation)是在 1970 年初所開發作為氣象氣流模擬應用，其假設紊流運動可以分為大尺度(grid-scale)渦流以. 18.

(31) 及次格點尺度(subgrid-scale)渦流兩部份，分別加以計算。對於受到動量傳輸影響的大尺度渦流運動，其解析值解由 Navier-Stokes 方程式求解；而受到黏滯力影響的次格點尺度渦流運動，其計算則使用紊流傳遞之近似解，且各小渦流以自由流場幾何邊界模擬。利用 LES 法預測火災發生時氣流流動的主要重點，在次格點尺度內流體運動的模式化。目前大部分的次格點尺度流體剪應力模式 (subgrid-scale stress models)是以 eddy viscosity 假設為基礎，其中最常被引用的模式為 Smagorinsky 次格點尺度流體剪應力模式[10]。 Baum [11]報告在密閉環境中，煙及熱空氣流之模擬結果，以 CFD 之技巧，求解 Navier-Stokes 方程式，並以混合分率(mixture fraction)之模式模擬燃燒現象。在較小尺寸之房間時，如住宅或旅館之單元，格點尺寸取至 3-5cm，較大尺寸之房間相對地取較大之格點尺寸。以 LES 模式之模擬結果與量測值相當一致。但在接近地板及天花板附近則有較大之差異。 McGrattan[12,13]以 LES 之數值計算方法，以一百萬格點以內，用以模擬火災時之煙之流動，使火災模擬可在一般之工作站上進行計算模擬。 Baum [14]說明 NIST 致力發展以 LES 數值計算方法，用以模擬在低馬赫數下之火災，在火災煙柱(fire plums)成長、室外火災、工業火災控制等方面，由理論概念至模擬計算之過程。 Floyd [15]以 FDS 之模擬與三種不同型式火災之實驗互相比較，以 FDS 之程式模擬可以準確預測火災實驗之現象。 Zhang [16]探討室內流場、溫度場之火、煙的紊流特性，如雷諾應力、紊流熱通量等，以 CFD 預測室內火災之各項物理量，以 LES 模式. 19.

(32) 之計算，其模擬值與實驗有相當吻合結果。 Wang[17]在一自然對流條件下，討論火災煙柱以自然浮力為驅動力，其大尺度渦流運動採 Smagorinsky 模式，即 LES 進行模擬，在一設定之熱釋放率條件下，計算所得之火焰平均高度、速度及溫度分布與實驗結果互相比較，有相當之一致性。在垂直方向，垂直壁上之煙柱高度與熱釋放率，呈 2/5 次方之關係。根據 petterson[18]以美國 NIST 之 LES 法計算程式(Fire Dynamics Simulator, FDS)之研究結果，空間之特徵長度與火場之特徵長度均對熱流分佈有所影響，然因 FDS 之格點疏密變化只能在軸向為之，無法作分區格點疏密差異分佈，致使其獲得之流場與溫度分佈無法有較一致性之結果，尤其是溫度分佈之誤差極大，甚至有 1.8m 格點之計算結果較 0.6m 格點更近似實測值。再者，邊界條件之影響也不在其考慮之參數。 Petterson 說明了以目前個人電腦之能力可處理約至 1,000,000 格點(運算時間約在 100 小時以內)之情況下，需對電腦計算結果作進一步之探討，若將近火場或流速變化較大之區域給予較高之格點密度或可獲得更為一致性之結果。李訓谷[19]分析比較不同火場所產生之煙流及蓄煙，及 McCaffery 之格點特徵長度，但沒作參數之分析。. 第㆓節研究方法本研究將同時比較以不同之計算軟體及數值計算方法，分析火災之各項參數計算差異。在 LES 方面，將使用美國國家標準局(NIST，National Institute of Standards and Technology)建築與火災研究實驗室(Building and Fire Research Laboratory)所研發之 FDS(Fire Dynamics Simulator)火災模擬軟體[3]做為研究工具，FDS 程式為以 LES 為基礎，專門模擬受火災浮力驅動氣流流動的三維數值計算流體力學軟體。本研究同時將以 GAMBIT 軟體建立網格、設定模型邊界條件，並 20.

(33) 使用 Phoenics 或 FLUENT 軟體之雷諾應力模式（ Reynolds-Stress Model，簡稱 RSM），進行對大空間火場進行數值模擬。本研究將建立典型之大空間結構作分析，將火災模式之進排氣邊界條件作參數化考量，研究內容與方法包括： (1) 大渦流模擬及雷諾應力模式在模擬大空間火場流場與溫度分佈之一致性之比較，本項研究將測試不同格點之設定，比較各種設定對流場與溫度場模擬結果之影響，測試在高溫、高速及邊界區設定較高格點密度時，其計算結果之一致性(consistency)，如此將高密度格點限於較小之區域，以避免過大量之格點數。 (2) 大空間在有火場時數值計算格點疏密之參數化研究，考慮火燄 2.  5  Q *  對火焰鄰近之區域作格點設定，測  之特徵長度 D = ρ c T g    ∞ p ∞. 試其作為格點密度設定參數之參考。 (3) 動態模擬煙流之數值方法與運算參數設定之研究，考慮空間尺寸、火場劇本、邊界條件及適當之電腦分析計算參數設定，一般而言計算時間間距 (time step) 須限於以下條件 δt <. δx δ x2 , δt < ，除外本研究將考慮邊界之進排氣速度條件， u 2µ. 列為格點密度設定之參數。本計畫電腦模擬方面之進行步驟如下： (1) 本計畫將先建立典型之大空間做為測試軟體模擬之載具，將依近實際之邊界條件建立。 (2) 建立火燄之模式，包括火燄熱釋放率及成長模式。 (3) 研究各種尺寸參數，及其對格點大小設定之影響研究。. 21.

(34) (4) 建立大空間之計算格點。 (5) 先以 LES 法研究格點變化對氣流與溫度分佈之影響。 (6) 再以 RANS 法研究格點變化對氣流與溫度分佈之影響。 (7) 進行以上模擬結果之比較，包括計算結果之一致性。 (8) 進行格點設定參考之參數研究。 (9) 研究空間與火燄之相關參數與邊界條件對個格點密度之影響。本計畫預期完成之工作項目及其效益說明如下： (1) 以比較兩種不同之大空間火場數值模擬，了解 RANS 與 LES 法之相對優劣。 (2) 研提大空間火場模擬格點設定之最佳化，以個人電腦運算能力 (1,000,000 格點左右)作適當之分區格點設定。 (3) 建立將分區格點數之設定作參數化之考慮。 (4) 本研究成果將提供未來分析大空間火場時有較一致性之計算結果。 (5) 本項研究成果結合我國性能與功能式消防法規之研擬，繼續在科技基礎方面協助政府推行消防法之進展，故除了將本計畫之研究成果繼續發展外，將之實用於建築之安全設計。本案預期完成之研究將有利於提供電腦模擬與測試之基準，及較一致性之防煙性能分析結果，提供性能設計之指導方針，以利大空間防煙設計、分析及審查。. 22.

(35) 第㆕章模擬假設與數值方法第㆒節 CFAST 模擬假設與數值方法一、區域模式(Zone model)的基本假設區域模式(Zone model)是將建築物空間劃分若干個區域，每個區域內再劃分成物理、化學性質均勻的高溫煙層與低溫空氣層。並利用能量、動量、質量及組成成份守恆原理，預測火災的成長、煙的流動，以及每個區域內的溫度、濃度分佈情形。區域模式之求解方式為隱性(Implicit) 型式，係利用高溫煙層與低溫空氣層之總守恆方程式與數值方法，代入輸入條件，疊代求出高溫煙層與低溫空氣層之物理特性。區域模式(Zone model)在計算上較場模式(Field model) 簡單、省時，但區域模式(Zone model)只能預測平均的煙流動情形，無法預測實際火災發生時建築物內詳細之流場與溫度場分佈。區域模式之基本假設條件為： (1) 氣體視為具有等分子重及等比熱的理想氣體。 (2) 自由邊界上的質量交換是由於壓力差或者是剪力影響,一般這些皆由自然或強制對流造成。 (3) 燃燒被視為質量與能量的來源,即表示無機械作用 (4) 整個氣體層的水平截面積是等面積 (5) 在固體邊界流體的摩擦效應於本模式下予以忽略 (6) 由於浮力的結果周遭氣體流入 entrainment,再由 entrainment 進入 fire plume；依據經驗，流進的速度與 plume 中的垂直速度呈線性關係。. 23.

(36) 計算火災煙塵的工具大致可用數學方程式計算，或以電腦數值進行模擬。數學方程式：公式(4.1)以及(4.2)即為 NFPA 92B 分別針對穩定火災及暫態火災所建議的數學方程式（詳細說明請參閱 NFPA 92B）。穩定火災（Steady Fires） −4 1   3 tQ H 3 Z = 1.11 − 0.28 ln A H   H2 .      . (4.1). 用於：Z/H ≧ 0.2 ； A/H2 = 0.9 ~14 其中： z =火場上煙層之高度(m) H = 火場上天花板之高度(m) t = 有效燃燒後之時間(sec) Q = 穩態火之熱釋放率(kW) A = 煙層之面積(m2) 暫態火災（Unsteady Fires）   Z t = 0.91  2 4 A 3 H  t g5 H 5 ( 2 ) 5 H .     . −1.45. (4.2). 用於：Z/H ≧ 0.2 ； A/H2 = 1.0 ~23 其中： z =火場上煙層之高度(m). 24.

(37) H =火場上天花板之高度(m) t =有效燃燒後之時間(sec) tg= 火勢成長時間(sec) 本報告計算範圍有挑高中庭、穿堂層、月台層等場所，其面積/高度平方(A/H2)之值分別為 0.81、181 以及 142，超過 NFPA 92B 公式的適用範圍。換句話說，由於上述二個場所的面積遠大於高度，煙塵移動一段夠長的距離後便逐漸下降，以致煙塵行為不再遵守煙塵與新鮮空氣之間的二層(Two Zone)假設，而不能用以評估本場所。. 二、CFAST 模式架構 CFAST 為一採用有限元素(finite element)概念所發展的模式，此種模式下所有的研究空間都被分割成許多小區域，在此區域內所有的性質均相等，包括溫度、壓力及煙濃度等。從實驗的火場觀察，一般的起火區域將明顯地區分成上、下兩層，上層為濃煙層、下層為空氣層。 CFAST 以焓(enthalpy)及質量流通率(mass flux)之平衡建立其方程組，隨著時間改變求取不同時間下的煙流溫度變化，煙流速度變化及煙流的濃度場變化，其組織架構如圖 4-1 所示，以下就 CFAST 各項重要組成做更詳細的說明。 1. 火源在 CFAST 中火源是以某種燃料以任一熱釋放率加以模擬，此物質燃燒時被轉換成焓及相對質量變化率，此種火源可以設計在地板，也可在門口等任何位置。當火場中的氧氣漸漸不足時，火焰會開始往氧氣充分的方向延燃，例如會向上部移動，或往風口、門口等處移動，造成火場漸漸擴大延燒至隔壁的空間。CFAST 可模擬單一火源，或數個火源. 25.

(38) 同時發生在不同區域。 2. 煙流與煙層任何物質燃燒時其焓(enthalpy)與熱質(thermal mass)將會形成一向上移動之煙流，CFAST 採用經驗公式來決定從下層往上移動之焓及熱質變化量，現場實驗顯示煙層與空氣層間的對流(convection)交互作用並不明顯，倒是溫度較低的外牆會引起煙流沿著牆面往下。在初始計算時，仍未有煙產生，因此上、下層皆以與外界一樣的條件代入，通常為避免分母為零的數學問題，上部煙層的體積以 0.001 代入。當物質開始燃燒後，煙流產生且開始往上浮動並在天花板處開始累積。煙產生後由於高溫高壓的膨脹作用使初期產生的煙會很快的壓縮下層的空氣經由各式開口部流入接鄰的負壓區。當起火空間的煙層不斷下降至接近開口時，煙開始流入至接鄰空間中，直到煙將此空間填滿。在此煙填充過程當中，接鄰空間中的空氣受到煙層下降的影響而流入至起火區，形成一複雜的空氣與煙相互流動的交互作用，此刻焓與氣體質量的計算就必須謹慎。 3. 開口部效應煙流經開口部為預測模式相當重要的一部份，因為煙流經開口部時常會造成焓的快速改變，開口部氣流可分成兩部份，第一部分為水平流動，例如氣流流過窗、門等開口，另一部份為垂直流動，例如天花板上的開口，氣流流經開口的驅動力有兩種力量，一為藉由空間中的熱浮力，另一為氣體熱膨脹效應，此膨脹效應在起火空間中尤其明顯，不僅有密度改變的效應同時也有體積膨脹的效應。一般而言，除非非常快速的狀況變化，此膨脹效應並不明顯，但小變化也會影響機械送風系統的效能。一般而言，大氣壓力約為 100kpa，而火場中所產生的壓力改變可. 26.

(39) 從 1 至 1000pa，而機械送風排煙系統大概可產生 1 至 100pa 之壓差，因此，為了能正確地預測各空間的壓力變化，我們必須能對大氣壓力計算精確至大約 0.1pa 範圍，也就是火場最大壓力的 10-4 精度。 4. 熱傳火場中的熱量可藉由對流(convection)方式傳至周遭低溫環境當中， CFAST 所採用的焓勢計算則考慮牆，天花板或地板的垂直方向傳遞為主，同時可考慮牆、天花板或地板採用多層且不同的材料，因此在熱傳導(heat conduction)的計算中可準確地將結果反應出來。雖然我們知道物質的熱性質隨著溫度改變而改變，但在 CFAST 中假設其皆為固定數，原因有二：（1）我們並沒有材料熱性質隨溫度變化完整的數據（2）對某些常用材料而言，其隨溫度變化的範圍並不算太大。輻射熱為火場熱傳過程常中相當重要的一部份，熱輻射在火場的高溫中會在煙層中、外牆、天花板等界面中傳遞，其與溫度熱輻射傳遞率及傳遞面積有直接的關係，對某一類型的材料而言，其熱輻射傳遞率 (emissivity)變化不大。對煙氣而言，此熱輻射傳遞率將授旗組成分子（煙粒子、二氧化碳及水等）所影響。當其組成成份改變時，其熱輻射傳遞率也會改變，而接下來的焓勢計算結果也會改變，最後將直接影響到空間的溫度及流場的結果輸出。 5. 煙濃度與沈降 CFAST 在開始進行空間火場模擬時，先以外界溫度為起始溫度，由使用者自行設定輸入，另外須輸入相對濕度以計算室內水氣量，及空氣質量(23%O2,77%N2)。氧氣在 CFAST 計算中會逐漸的消耗，所以其計算結果將以負值表示，燃燒過程中的氰化物及氯化物和最後的產物，如二氧化碳，一氧化碳，水及煤灰等皆有考慮在內。. 27.

(40) 每一種不同氣體成份都會隨著氣流流動至不同位置而有不同的單位質量，CFAST 可以計算煙層與空氣層中氣體的量隨時間變化的情形，將質量除以空間體積可得到濃度值( kg/m3 )或與各不同氣體分子量一同考慮即可得到 ppm 單位之濃度值。CFAST 採用的化學燃燒模式與其他模式不同，CFAST 維持 C-H-O 間的平衡而不以一獨立值進行計算，此種平衡式的計算應用在三個不同地方：（1）起火空間的空氣層（2）起火空間的煙層（3）從下部空氣層進入上部煙層的流動氣流層。. 三、CFAST 之物理與數學模型本節將針對 CFAST 所採用的預測物理模型及數學方程式加以詳細說明，CFAST 為區域模式的設計，其基本理論包括了質量，動量與能量守恆。同時也必須輸入計算所需的所有起始條件，在質量、動量與能量守恆方式中也採用了密度與內能及理想氣體等有關的方程式來協助解決問題。區域模式最大的特點是假設在某一個區域當中所有性質均相同，如溫度在某一個區域中皆相同，此種均一性質的假設在實驗驗證當中並無太大的誤差。在一般情況下，一空間中可存在上、下二層區域，在火場中可有包括煙束的三層區域。模式中所用的每一公式皆可以焓及質量來表示，其間的改變量受通風效應，對流效應等影響，例如接鄰空間的排煙口。火焰將熱釋放至上層區域及對流熱傳將焓傳至周遭的牆上等效應皆會造成焓與質量的傳遞。. 28.

(41) 我們用 mU 及 mL 代表上層及下層煙層的質量流率，另外 h&U 及 h&L 代表焓，在模式中將定壓比熱( C p )與定容比熱( CV )假設成常數不隨溫度改變，但所有的公式推導皆滿足基本的守恆定律。 1. 二層模式(Two-Layer Model) 二層模式原則上將一空間區分成上層的煙層與下層的空氣層，如圖 5.2 所示，在每一層中其所含蓋的基本性質包括有質量(mi)，內能(Ei)，密度(ri)，溫度(Ti)及體積(Vi)等參數 i=L 代表下層，i=U 代表上層，空間中的壓力以 P 表示，則圖 4-2 中所示的 11 個參數有下列 4 組關係式存在。 ρi =. mi Vi. (密度). Ei = Cv ⋅ mi ⋅ Ti P = R ⋅ ρ i ⋅ Ti V = VL + VU. (4.3). (內能). (4.4). (理想氣體定律) (總體積). (4.5) (4.6). 而 11 個方程式的變數整理如表 4-1 中，方程組須配合邊界條件與初始條件同時求解。. 29.

(42) 表 4-1 區域模式內所用的微分方程式. 30.

(43) 圖 4-1 CFAST 之組織架構圖. 31.

(44) 圖 4-2 二層模式之控制容積示意圖. 32.

(45) 第㆓節 FDS 模擬假設與數值方法區域模式或代數方程式法僅能求解高溫煙層與低溫空氣層的平均物理性質，而將建築物空間劃分成若干個細小格點，且利用數值方法求解守恆方程式的場模式能較仔細、正確地預測火災發生過程中，每個格點的速度、壓力、溫度、濃度值。因此適用於複雜形狀、大空間建築中採用不同煙控系統的煙流動與沈積現象的模擬。在流體動力計算中，求解紊流方式中，有直接數值模擬法(Direct Numerical Simulation，DNS)、平均化紊流模式法及大渦流模擬(Large Eddy Simulaiton， LES)。直接數值模擬(DNS)是直接求解高可信度的 Navier-Stokes 方程式，並非以近似解來模擬紊流，亦即用足夠小的網格涵蓋整個流場，只使用流體體動粘滯係數(Dynamic Viscosity)，而不使用任何紊流模式，直接計算流場內之所有的大小旋渦動態變化，然而為了呈現出所有的渦流－最大大到邊界尺寸，最小小到消散運動，其所需的格點解析度必須精細到克氏尺度(Kolmogorov micro-scale)，以雷諾數為 106 的三維平板邊界層流場為例，約需 5×107 的格點數，若對一實際建築物條件(雷諾數約為 106)加以計算，則所需的格點數將達 5×1013；再者，計算時間間隔必須小到得以解析最快速的變動量，如此遠遠超過現今超級電腦的運算容量。因此，DNS 法要實際條件之火災模擬研究較為困難。而 RANS 法(平均化紊流模式法)是利用時間平均 Navier-Stokes 方程式加上紊流預測模式來預測流體的流動。目前 RANS 的紊流預測模式相當多，其中以標準 k- ε model[Launder and Spalding, 1974]最常被引用，但尚無泛用的(universal)紊流模式。再者，由於火災的煙流動現象是瞬時變化的，利用以時間平均為基礎的 RANS 法通常無法精確地預測複雜熱傳與渦流的發展。而 LES 法是將流體物理量區分為大尺度 (grid-scale)與次格點尺度(subgrid scale (SGS))兩部分。對於大尺度的物理. 33.

(46) 量在 LES 中直接由 Navier-Stokes 方程式求解，而在次格點尺度內的物理量則需要模式化。利用 LES 法預測火災發生時氣流流動的主要重點在於在次格點尺度內流體運動的模式化。 FDS 在燃燒理論方面，採用混合分率 (mixture fraction model ) 模式，與相關之實驗結果相驗[19]，其熱輻射傳遞之運算係採用類似熱對流傳遞之 FVM（Finite Volume Method）方式計算。整體而語以 FDS 所預測之流場速度、溫度與實驗之量測比較在 20%內[19]。. 2. FDS 統御方程式 FDS 應用的範圍為低馬赫數的流場分析，可分析與火災相關之溫度場、速度場、濃度場模擬計算，FDS 提供之物理模式應用如下：室內及大氣中之各種火災問題建築物之排煙系統、撒水頭系統之模擬。非壓縮流體之溫度場、速度場、濃度場之計算。 FDS 火災模擬軟體，是以數值方法求解控制方程式，包括模擬煙塵流動與熱量傳遞的數學模式。這些控制方程式基本上是由 Navier-Stokes 方程式推導而來，是屬於符合守恆守則的方程式，包括符合質量守恆的質量方程式、動量守恆的動量方程式以及能量守恆的能量方程式等等 [18]，詳見公式(4.7), (4.8), (4.9)以及(4.10)。（1）連續方程式(Conservation of Mass) ∂ρ + ∇ • ( ρu ) = 0 ∂t (4.7). （2）動量方程式(Conservation of Momentum)  ∂u  + (u • ∇ )u  + ∇p = ρg + f + ∇ • τ  ∂t . ρ. (4.8) （3）能量方程式(Conservation of Energy). 34.

(47) ∂ (ρh ) + ∇ • ρhu − Dp = q& ′′′ − ∇ • q r + ∇ • k∇T + ∇ • ∑ hl (ρD )l ∇Yl ∂t Dt l. （4）化學種方程式(Conservation of Species) ∂ (ρYl ) + ∇ • ρYl u = ∇ • (ρD )l ∇Yl + W& l′′′ ∂t. 其中 ρ =流體密度 u =流體速度 Yl =化學種 l 的質量分率 h =流體熱焓. D=擴散係數 W& l′′′ =單位體積內化學種 l 的產生率. g =重力向量. f =外力向量（重力向量除外） τ =黏性應力張量. q& ′′′ =單位體積內的釋熱率 q r =輻射熱通率向量 k =流體熱導度. T =流體溫度 t =時間. 35. (4.10). (4.9).

(48) 第㆔節 FLUENT 模擬假設與數值方法本研究中數值模擬使用之 FLUENT 乃 FLUENT 公司發展套裝軟體。FLUENT 的主要架構分為兩個部份：前處理部份，主要為建立物理模型、格點劃分及邊界條件位置之訂定等；程式運算核心與後處理部份，包含數值分析運算、結果繪圖與數據分析等。上述兩部份分別於 GAMBIT 與 FLUENT 之界面下操作。一般火災的燃燒現象包含了熱傳導、熱對流、熱輻射，以及燃料和空氣分子間的質量傳遞和熱量傳遞，由於火災的複雜性，因此，本研究中作以下簡化。. 本研究為簡化數值模擬，作以下基本假設： (1) 無化學反應。 (2) 使用理想氣體定律（ideal gas law）。 (3) 空間內之流體為牛頓流體，不可壓縮的理想氣體。 (4) 流場為穩態紊流流場，以 k-ε 模型來解析。 (5) 忽略輻射效應。 (6) 考慮浮力的影響並滿足 Boussinesq 近似法則。 (7) 流場不因粒子群的加入而改變。 (8) 粒子為球形剛體，群體中個體運動仍視為單一球形剛體運動，運動中相互間不發生碰撞。. FLUENT 可分析的問題包括層流、紊流、可壓縮流、不可壓縮流、自然對流流場、強制對流流場、共軛熱傳流場、濃度擴散流場、多相流、. 36.

(49) 燃燒流場、非牛頓流體流場、旋轉流場、粒子擴散流場、化學反應流場、穩態或暫態流場、多孔性介質流場及含輻射流場等。而其統御方程式除了基本的連續方程式、動量方程式、能量方程式、濃度方程式外，更對上述各問題領域有很多的物理及數學模式可供選擇，以計算各式各樣的流場問題。此軟體在數值方法方面，有關對流項可選用上風差分法（ Upwind Differencing）、QUICK（Quadratic Upstream Interpolation of Convective Kinematics）、Power Law 等差分法，而速度和壓力求解的方程式則可用 SIMPLE、SIMPLEC、PISO 等演算法則。至於紊流流場模式亦包括標準 ε - K 、RNG ε - K 和 Realizable ε - K 模式等選項，其中還可利用壁函數或雙層壁函數（Two-Layer Zonal Model）來處理紊流邊界問題。. 1. 統御方程式本研究之流場空間為三維穩態紊流，採用標準 k-ε 紊流模式，故其主要之統御方程式（governing equations）為連續方程式、動量方程式、能量方程式、紊流動能與紊流動能耗散率的傳遞方程式（transport equation）。流體的運動和熱質傳的現象，整個基本的方程式可表示成式下式： (1)連續方程式： ∂ρ ∂ (ρui ) = 0 + ∂t ∂xi. (4.11). (2)動量方程式： ∂ ∂ ∂p ∂ ( ρ ui ) + ( ρ uiu j ) = − + ∂t ∂x j ∂xi ∂x j. (3)能量方程式. 37.  ∂ui   µ e  x ∂ j  . (4.12).

(50) ∂ ∂ ∂ ρ c pT ) + ρ c pTui ) = ( ( ∂t ∂xi ∂xi.  ∂T   ke   ∂xi . (4.13). (4) 濃度方程式   ∂ (ρC ) + ∂ (ρuiC ) = ∂  De ∂C  ∂xi  ∂xi  ∂xi ∂t. (4.14). (5) 紊流流場模式本文所使用的紊流流場模式為標準 k − ε model，其方程式如下所示：. ρ. µt Dκ ∂  =  µ + σκ Dt ∂xi . µt ∂  Dε = ρ  µ + σε Dt ∂xi . µ. t.  ∂κ   + Gκ − ρε   ∂xi . (4.15).  ∂ε  ε ε2   + C1ε Gκ − C2ε ρ κ κ  ∂xi . = ρC. µ. κ 2 ε. (4.16) (4.17). 其中 C1ε = 1.44 ， C 2ε = 1.92 ， C µ = 0.09 ， σ κ = 1.0 ， σ ε = 1.3 ， Gκ 為在平均速度梯度間所產生的紊流動能（turbulent kinetic energy），定義為： Gk = − ρ ui'u 'j. ∂u j ∂xi. (4.18). Standard κ − ε Model 一般應用在牆壁邊界（wall bounded）與自由切面流（free shear flow）的流動型式。上述紊流模式對於靠近牆壁部分的處理是採用標準牆壁函數（standard wall function）。 (6)數值方法數值方法的基礎是將一般的微分方程式轉換成代數式，舉例而言，. 38.

(51) 圖 4-3 為一簡易的網格點（grid point）控體，數值方法的主要目的就是將滿足 P 點的微分方程式的解 Φ 以 P 點周圍的網格點之代數式表示。本研究在數值演算方面，有關對流-擴散項選用 Power Law Scheme，而速度和壓力求解的疊代方法則選用 SIMPLE 演算法則。 N. n W. P. w. e. E. s. y. S. x. 圖 4-3 簡易的網格點（Grid point）控體 1.對流-擴散項 Power law scheme 是由 Patankar（1980）提出，此種方式運算出來的值更接近正確解（exact solution），雖然此種運算方式比一般 scheme 來得複雜，但卻不會因此增加電腦的運算負擔。基本定義如下： De aE = De exp(Pe ) − 1. (4.19). p e 為 Peclet number，其範圍如下： pe < -10. -10 ≤ Pe < 10. ⇒ ⇒. (4.20). aE 5 = (1 + 0.1Pe ) − Pe De. Pe > 10. 0 ≤ Pe ≤ 10. aE = − De De. ⇒ ⇒. aE =0 De. aE 5 = (1 − 0.1Pe ) De. 39. (4.21) (4.22) (4.23).

(52) 由(4.20)、(4.21)、(4.22)與(4.23)中觀察，可將此四式結合為   0.1 Fe a E = De 0, 1 − De  . 5.   + [0,− Fe ]  . (4.24). 式中 D 為擴散傳導，F 為對流強度分別定義如下： Γ ∆x. (4.25). F = ρu. (4.26). D=. 2.速度與壓力項 SIMPLE（Semi-Implicit Pressure Linked Equation）Algorithm： Navier-Stokes 方程式經離散化後可以整理出在 X、Y、Z 方向的動量方程式如下： ae ue = ∑ anb u nb + b + ( p P − p E ) Ae a n u n = ∑ a nb u nb + b + ( p P − p N ) An a t u t = ∑ a nb u nb + b + ( p P − pT ) At. (4.27) (4.28) (4.29). 其中下標 nb 代表所有鄰近的格點， P 為所欲求的格點， E 為右邊相鄰格點， e 代表 P 格點和 E 格點間控制體積表面的點， ∑ anb u nb 項為對流和擴散效應的結合， b 為源項， Ae 為壓力作用下的面積，假 * ' * ' 設 P = p + α p ，其中 p 為預估壓力（estimated pressure）及 p 為修正. 壓力（pressure correction），α P 為壓力鬆弛因子（under-relaxation factor *. of pressure）。由於 p 值的不同，會產生不同的速度對應值 u 、v 、w ， *. 即可令 u = u* + αu′ v = v* + α v′ w = w* + α w′. 40. (4.30) (4.31) (4.32). *. *.

(53) 其中 α 值為速度鬆弛因子，將其計算後代入連續方程式，可得一壓力修正方程式如下： a P p P′ = a E p E ′ + aW pW ′ + a N p N ′ + a S p S ′ + aT pT ′ + a B p B′ + b. (4.33). 其中 a P = aE + aW + a N + aS + aT + aB ， b 可視為質量源（mass source）。 * * * * 若 b = 0 ，亦即 u 、 v 和 w 已滿足連續方程式，此時 p = p 即為所求，不. 再需要壓力修正。故 b 值可用來判定數值解收斂與否，在數值求解過程中，可令 b 值在小於某一極小值，作為數值疊代之終點。. 41.

(54) 開始. 1.建築物幾何尺寸 2.計算時間 Tmax, ΔT. 輸入設計條件. 1.火源大小 2.火源的熱釋放率 3.火災成長曲線. 設定設計火災大小與火災成長曲線. 1.模型的邊界條件 2.出風口風量及起動時間 (SEF、TEF、TVF 等). 設定邊界條件與起始條件. 計算瞬時熱釋放率. T=T+ΔT. 求出溫度、濃度、能見度等. 時間 T ≦Tmax. Yes. No 結束. 圖 4-4 求解過程. 42.

(55) 第㈤章數值模擬結果與分析第㆒節前言本研究主要是利用數值模擬的方式了解大空間發生火災狀態，煙霧在空間內累積的情況，如此可了解模擬案例是否能符合 NFPA 92B 之建議，其建議如下： (一)在出口與往避難場所之途徑上維持無害之環境，使在內人員有足夠時間逃離。 (二)使煙層維持在一個預定之高度。 (三)讓消防人員可抵達找出火點並將火撲滅。 (四)限制煙層溫度及毒氣濃度之快速上升，及維持空間之能見度。. 第㆓節小型空間㈫災模擬藉由數值模擬之方式了解大空間中煙霧在空間內累積的情況，進一步作火災的分析，模擬的幾何形狀及火災位置如表 5-1 所示。本研究利用穩態與暫態的方式，來模擬大空間的火災狀態，針對溫度分佈來分析煙霧擴散高度，在表 5-1 的幾個假設之幾何形狀中，分析各種狀況的影響，在此之前，我們先進行小型空間火災的數值模擬，並與 McLeans Island tests 實驗值比較，以確定模擬模型的正確性。接著進行表 5-1 的大空間火災模擬與分析。. 43.

(56) 表 5-1 大空間模擬幾何形狀及建築案例. 建築形式. 建築案例. 面積高度 2. A/H. 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. W. 18. 18. 18. 12. 12. H. 20. 20. 10. 3. 9. 0.81. 0.81. 9. 173.33. 19.26. 係數. 44.

(57) 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. 45.

(58) 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。. 46.

(59) 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：. 47.

(60) 表 5-2 玻璃纖維熱傳導性質名稱數值. ALPHA M2/s 8.6E-8. k W/m･K 0.036. Thickness m 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。. 48.

(61) 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。. 49.

(62) 2. Height (m). 1.5. 1. Experiment 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0.5. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. Temperature (℃). 圖 5-4 Tree1 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0.5. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. Temperature (℃). 圖 5-5 Tree2 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 50. 160. 180.

(63) Experimental 100mm grids. 2. 150mm grids 300mm grids. Height (m). 1.5. 1. 0.5. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. Temperature (℃). 圖 5-6 Tree3 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0.5. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. Temperature (℃). 圖 5-7 Tree4 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 51. 140. 160.

(64) 1.8 1.6 1.4. Height (m). 1.2 1 0.8 0.6 Experimental. 0.4. 100mm grids 0.2. 150mm grids 300mm grids. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. Temperature (℃). 圖 5-8 Doorway 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 2. Height (m). 1.5. 1. Experimental. 0.5. 100mm grids 150mm grids 300mm grids 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. Temperature (℃). 圖 5-9 Tree5 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 52. 120. 140.

(65) 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental 0.5. 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. Temperature (℃). 圖 5-10. Tree6 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental 0.5. 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. Temperature (℃). 圖 5-11. Tree7 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 53. 120.

(66) 2. Height (m). 1.5. 1. 0.5. Expermental 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Temperature (℃). 圖 5-12. Tree8 熱偶組溫度分佈圖(55kW). 2. Height (m). 1.5. 1. Experimental 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0.5. 0 0. 50. 100. 150. 200. Temperature (℃). 圖 5-13. Tree1 熱偶組溫度分佈圖(110kW). 54. 250.

(67) 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental 100mm grids. 0.5. 150mm grids 300mm grids 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Temperature (℃). 圖 5-14. Tree2 熱偶組溫度分佈圖(110kW) Experimental 100mm grids. 2. 150mm grids 300mm grids. Height (m). 1.5. 1. 0.5. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Temperature (℃). 圖 5-15. Tree3 熱偶組溫度分佈圖(110kW). 55. 600.

(68) 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental. 0.5. 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Temperature (℃). 圖 5-16 Tree4 熱偶組溫度分佈圖(110kW) 1.8 1.6 1.4. Height (m). 1.2 1 0.8 0.6 0.4. Experimental 100mm grids. 0.2. 150mm grids 300mm grids. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. Temperature (℃). 圖 5-17. Doorway 熱偶組溫度分佈圖(110kW). 56. 180. 200.

(69) 2. Height (m). 1.5. 1. 0.5. Experimental 100mm grids 150mm grids 300mm grids. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. 200. Temperature (℃). 圖 5-18. Tree5 熱偶組溫度分佈圖(110kW). 2. Height (m). 1.5. 1. Zone model Experimental 100m grids 150mm grids 300mm grids. 0.5. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. Temperature (℃). 圖 5-19. Tree6 熱偶組溫度分佈圖(110kW). 57. 160. 180.