以FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究

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(1)以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 97 年 12 月.

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(3) 097-301070000G2-021. 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 研究主持人：蔡銘儒研究人員：李鎮宏謝煒東. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 97 年 12 月.

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(5) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Study on confined space fire by using FDS simulations and experimental validation. BY Ming Ju Tsai Chen Hung Lee Wei Dong Hsieh December , 2008.

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(7) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 目錄目錄 ………………………………………………………………………….………...i 圖目錄........................................................................................................................... ii 表目錄.......................................................................................................................... iv 摘要 ……………………………………………………………………………..…….v 第一章緒論................................................................................................................. 1 第一節研究緣起與背景 ............................................................................ 1 第二節研究內容與限制 ............................................................................ 1 第三節研究方法與流程 ............................................................................ 2 第二章國內使用 FDS 情形回顧................................................................................. 4 第一節電腦程式 FDS 介紹............................................................................. 4 第二節國內使用 FDS 模擬火災文獻回顧 .......................................... 8 第三節 FDS 選用緣由 ............................................................................... 23 第四節 FDS 使用注意事項 ..................................................................... 24 第三章火源模擬驗證............................................................................................... 26 第一節電腦模式驗證標準 ...................................................................... 26 第二節材料參數探討與火源模擬驗證 .............................................. 28 第三節局限空間火災成長模擬驗證 ...................................................... 48 第四章火災對梁構件熱傳模擬驗證....................................................................... 53 第一節實驗規劃 ........................................................................................ 53 第二節局限空間火災溫度傳佈模擬驗證 .......................................... 57 第三節火災環境溫度熱傳遞至梁構件模擬驗證.......................................... 72 第五章結論與建議................................................................................................... 79 第一節結論............................................................................................................... 79 第二節建議............................................................................................................... 79 參考書目..................................................................................................................... 80 附錄一期初審查會議記錄與回應........................................................................... 88 附錄二期中審查會議記錄與回應........................................................................... 89 附錄三期末審查會議記錄與回應........................................................................... 93 附錄四......................................................................................................................... 96 附錄五....................................................................................................................... 106 附錄六........................................................................................................................113 附錄七........................................................................................................................117 附錄八....................................................................................................................... 137. i.

(8) 目錄. 圖目錄圖 1-1 研究流程圖.................................................. 3 圖 2-1 SmokeView 畫面.............................................. 5 圖 2-2 FDS 運算架構圖.............................................. 5 圖 2-3 電腦平行運算示意圖.......................................... 7 圖 2-4 平行運算之效率 / 電腦數示意圖............................... 8 圖 3-1 酒精膏火源熱釋放率量測實驗與 FDS 模擬....................... 28 圖 3-2 酒精膏火源 FDS 模擬與實驗熱釋放率歷程比對 ................... 29 圖 3-3 木堆於煙罩下進行熱釋放率實驗配置 ........................... 29 圖 3-4 FDS 木堆開放空間燃燒模型.................................... 31 圖 3-5 FDS 模擬參數修改歷程........................................ 35 圖 3-6 test3~test10 木堆燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較圖........... 36 圖 3-7 test10~test18 木堆燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較圖.......... 36 圖 3-8 test18-1~test18-7 木堆燃燒模擬與實驗熱釋放率歷程比較 ....... 37 圖 3-9 一層 9 支，45 支木條於煙罩下燃燒實驗與 FDS 模擬比對 .......... 38 圖 3-10 L18(21×37)模擬結果 .......................................... 43 圖 3-11 木材比熱與溫度關係 ........................................ 43 圖 3-12 木材熱傳導係數與溫度關係 .................................. 44 圖 3-13 參數變化模擬結果 .......................................... 44 圖 3-14 每層 3 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對 ........................ 50 圖 3-15 每層 9 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對 ........................ 50 圖 3-16 每層 15 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對 ....................... 51 圖 3-17 模擬火災場景 .............................................. 51 圖 3-18 全尺度火災模擬與實驗熱釋放率歷程比對 ...................... 52 圖 3-19 全尺度火災模擬與實驗總熱釋放歷程比對....................... 52 圖 4-1 鋼梁表面測溫點佈設 ......................................... 53 圖 4-2 梁構件測溫點配置 ........................................... 54 圖 4-3 平板測溫計構成 ............................................. 54 圖 4-4 平板測溫計實體圖 ........................................... 55 圖 4-5 房間內梁、燃燒器與測溫樹配置圖 ............................. 55 圖 4-6 測溫樹測溫點配置 ........................................... 56 圖 4-7 實驗用燃燒器 ............................................... 56 圖 4-8 梁構件配置位置示意圖 ....................................... 56 圖 4-9 梁構件置於樓板下 30 ㎝ ...................................... 57 圖 4-10 梁構件平板測溫點與表面溫度銲點照片 ........................ 57 圖 4-11 火源燃燒熱釋放率 .......................................... 58 ii.

(9) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 圖 4-12 圖 4-13 圖 4-14 圖 4-15 圖 4-16 圖 4-17 圖 4-18 圖 4-19 圖 4-20 圖 4-21 圖 4-22 圖 4-23 圖 4-24 圖 4-25 圖 4-26 圖 4-27 圖 4-28 圖 4-29 圖 4-30 圖 4-31 圖 4-32. 實驗照片圖 ................................................ I 型樑平板測溫點與樑上溫度量測結果........................ 箱型樑平板測溫點與樑上溫度量測結果 ........................ 測溫樹溫度量測結果與平板測溫點量測結果比對圖 .............. FDS 模型................................................... 測溫樹 3-FDS 模擬結果與實驗之溫度變化圖 .................... 測溫樹 4-FDS 模擬結果與實驗之溫度變化圖 .................... 測溫樹 5-FDS 模擬結果與實驗之溫度變化圖 .................... 測溫樹 6-FDS 模擬結果與實驗之溫度變化圖 .................... 測溫樹 1-FDS 模擬結果與實驗之溫度變化圖 .................... 測溫樹 2-FDS 模擬結果與實驗之溫度變化圖 .................... FDS 模擬過程截圖........................................... FDS 模擬過程截圖（含黑煙）................................. 不同時間下高度 200 公分平面之溫度分佈圖 .................... 不同時間下 FDS 模擬邊界溫度圖 .............................. FDS-ABAQUS 分析流程........................................ 梁全長溫度分佈(time=60min) ................................ 北側(N)鋼梁表面溫度實驗與分析歷時比較圖 ................... 中間(M)處鋼梁表面溫度實驗與分析歷時比較圖 ................. 南側(S)鋼梁表面溫度實驗與分析歷時比較圖 ................... 箱型梁溫度歷時分布圖 ....................................... iii. 58 59 59 60 60 65 66 67 68 68 69 70 70 71 72 75 75 76 76 77 78.

(10) 目錄. 表目錄表 3-1 表 3-2 表 3-3 表 3-4 表 3-5 表 3-6 表 3-7 表 3-8 表 3-9 表 3-10 表 4-1. 實驗歷程與照片 .......................................................................................... 28 FDS 木堆模擬所用重要參數列表.............................................................. 30 L18(21×37)直交表.......................................................................................... 39 參數引用值………………………………………………………………………………39 控制因子及水準表 ...................................................................................... 40 FDS 模擬模型 .............................................................................................. 40 函數分析結果 .............................................................................................. 45 norm 值 ANOVA 分析................................................................................. 46 餘弦值 ANOVA 分析 .................................................................................. 47 變化材料參數項目 ...................................................................................... 48 鋼樑於房間中燃燒 FDS 模擬程式 ............................................................. 61. iv.

(11) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 摘要關鍵詞：FDS、檢證、局限空間火災一、研究緣起室內火災燃燒過程是一種複雜的物理、化學的綜合過程，而影響燃燒因素並非一成不變是隨機發生的，也因此造成火災燃燒過程及火災溫度的隨機性(馮猛，2007)，且因大尺度火災模擬實驗，所需人力、物力、經費與時間龐大，在有限條件下以及火災變因複雜等因素，為利於研究分析，實驗往往所能採用之模型及態樣有限，實驗所得結果必然無法確切斷定火災成長因素影響性，有鑑於此，國際上陸續發展出數種火災模擬程式，透過程式之模擬再選擇必要之實驗驗證，將可提高研究或設計效能，本研究之火災模擬分析將採用 NIST（National Institute of Standards and Technology）研發而成，頗為流傳之火災模擬軟體 FDS (Fire Dynamics Simulator)為模擬工具，以 FDS 所預測之流場速度、溫度對比實驗之相關量測，其準確性約 80%(黃育祥，2005)，本研究採用 FDS 為工具主要是免費軟體在 NIST 之網頁上即可下載，而且使用者廣泛，並且有操作問題之討論區可供使用者彼此交換意見，整體而言，本研究將以此程式模擬，再與實驗結果進行比對檢證，以作為後續之研究工具。二、研究方法及過程今年研究將著眼於局限空間火災成長與延燒，以歷年於內政部建築研究所防火實驗中心建置的 10MW 大尺度燃燒分析裝置、ISO 9705 房間量熱儀及可調整天花板高度之單一房間火災模式驗證實驗屋之局限空間，所進行之研究實驗資料為 FDS 模擬場景與參數設定進行模擬，再將模擬結果與實驗結果進行比對，期使局限空間火災成長與延燒模擬得以得到本土化之檢證，並建立模擬驗證技術，以及參考國際防火研究領導人論壇(FORUM)之「熱傳遞量測及計算」國際合作實驗計畫，進行實驗比對及建立房間火災熱傳遞至鋼構件之計算，作為建築構造耐火評估依據，使後續之研究或設計可先以模擬搭配以最適化因子分析模式，研析出火災成長、延燒及構件火害行為之要因，再據以研擬最適化對策與驗證，以縮短研究期程、節省實驗資源，並可供作性能設計，進行最適化防火性能設計以提昇建築防火安全。本研究所使用模擬實驗火源資料以柳安木堆為主，在進行模擬研究過程中，以 ISO 9705 之集煙罩下木堆燃燒實驗，進行模擬驗證先探討出柳安木之燃燒性質資料作為模擬輸入之參數，再以 10MW 下較大木堆量燃燒實驗及模擬，以進一步驗證材料燃燒性質及作必要之修正，完成木堆火源之模擬與驗證後，再以面積 5m×6m 具兩對向之 0.8m(寬)×2m(高)開口之局限空間內，以可控制之變因與非實務裝修之實驗所得資料，以經驗證過之火源參數資料，進行局限空間火災模擬，以及由模擬方式與實驗結果比對檢證其影響火災成長之因子，同時發展以火災模擬資料轉換熱傳遞模式，並作為構件耐火性能分析，在本研究模擬所得僅限 v.

(12) 摘要. 於研究所用條件下所得結果，要進一步模擬實際裝修空間火災情境，必須建立各種材料、傢俱等本土燃燒資料參數作為輸入參數，並且須要進行必要之檢證。. 三、重要發現 1. 本研究以材料之熱傳導係數(kv)、比熱(cv)、密度(ρv)、Arrhenius pre-exponential factor(Z)、反應能(EA)、熱解熱(ΔHP)以及碳化層熱傳導係數(kc)、比熱(cc)、密度(ρc)等 9 項為實驗設計參數，進行 FDS 模擬，經函數分析與變異分析，獲得主要影響模擬結果之參數為 Arrhenius pre-exponential factor(Z)。 2. 建築火災過程計算機模擬結果的合理性和精確度經常是建築防火設計和驗證過程中質疑的焦點；本研究已針對火災模式驗證與文件化等標準研訂如附錄四至附錄八，以可供設計者設計評估與主管官署評定參考。 3. 電腦模擬之材料特性實驗項目與實驗方法，則研訂標準指引於附錄七取得用於決定性火災模式數據之標準指引。 4. 由本研究模擬驗證結果，以 FDS5 所新增功能進行固相燃燒模擬方面，其模擬在每層 9 支以下木角材之木堆於局限空間燃燒模擬，可符合常態燃燒範圍。 5. 由局限空間火災溫度傳佈模擬與實驗驗證方面，在本研究模擬與實驗比對結果，靠近火源附近的天花板氣場溫度模擬結果比實驗值低約達 100℃預測準確度較差，但鋼樑高度（離地 180~230 公分）的模擬結果接近於實驗值；相反的，相較遠離火源時，天花板與上層溫度模擬結果較接近於實驗值，而下層溫度則受到鋼樑對氣場的擾動，因此準確度較低，但模擬結果比實驗值略高。 6. 本研究已建立自 FDS 輸出溫度資料轉換，進行有限元素火害結構分析，將可建構完整之火災成長至結構火害之模擬。 7. 在本研究之 FDS 模擬熱釋放率與溫度成長方面尚有諸多參數須探討與量測法建立，以增加模擬結果之可靠性。 8. 本研究在 FDS 熱釋放率模擬方面主要以 10 ㎝大小網格進行模擬，經與實驗驗證可得到常態性燃燒範圍內，可縮短模擬時間，有助於初步篩選出有利防火設計條件。四、主要建議事項建議一立即可行建議訂定火災模式驗證與文件化等標準。主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署、經濟部標準檢驗局本研究參考 ASTM 相關標準研訂「決定性火災模式預測能力評估標準指引」、「火災模式電腦軟體文件製作指引」、「判斷決定性火災模式之使用與限制之 vi.

(13) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 標準指引」、「取得用於決定性火災模式數據之標準指引」及「制訂火災危害評估標準之標準指引」5 項以火災模擬程式進行模擬所應具備之要項標準，如以火災模擬程式進行模擬作為性能設計用途時，依據標準對模擬程式與模擬過程作一驗證，可加強其模擬結果可靠性。建議二中長期建議研訂火災數值模式需作為輸入值的材料性質實驗標準主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署、經濟部標準檢驗局在本研究條件下以固相燃燒模擬及驗證結果顯示，如能掌握材料參數，其模擬是可符合常態性之燃燒結果，據此如能研訂材料各項參數特性實驗或推估標準，並建立材料參數資料庫，將有助進一步火災安全研究，亦有助於設計者進行防火性能設計，以及建築防火安全主管機關審核。. vii.

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(15) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. Abstract Keywords: FDS, Validation, Confined space fire 1. Origin of this study Indoor fire is a complex physical and chemical process. Random factors introduced during fire resulted in the unpredictability of it. Since large scale experiment cost a lot of resources, it is important to develop a numerical simulation skill to numerical predicted the fire growth. NIST FDS has been used widely and had 80% a c c ur a c y .FDSi sf r e e l ya va i l a bl et hr oug ht hei nt e r ne ta ndha da na c t i veus e r ’ s group for discussion. This research used FDS as a simulation tool. The results of simulation were compared with the experimental data.. 2. Research method and process This year, we focused on the fire growth and spreading in confined space. By using the recent data collected from 10MW, ISO9750 and ceiling height adjustable single room fire experiments. We had established an FDS model based on these data. By comparison of simulation result and experimental data, one can establish the localized verification of fire growth and spreading in confined space. In addition, we can also establish the techniques in simulation validation. We also performed a international co-operation project on the measurement and calculation of heat transfer of steel beam, in order to evaluate the fire endurance of structure. We used a spruce wood crib as the simulated fire source. First, we used the data of wood crib burning under the ISO9705 hood to obtain the burning characteristics. Then, comparison of FDS simulation and the experimental data was performed to make some modifications to the material properties. When we were able to simulate the wood crib burning well, we select a confined space of dimension 5m×6m with opposite openings of 0.8m×2m as a subject for simulation. Simulated results are used for further simulation of structural components in fire. Current results applied only to the configuration in this research. It is important to establish a local material burning and properties database for further validation and application.. 3. Important findings 3.1 Material properties such as thermal conductivity(kv) 、 specific heat(cv) 、 density( ρv)、Arrhenius pre-exponential factor(Z)、reaction energy(EA)、heat of pyrolysis( ΔHP) and the thermal conductivity of char layer(kc)、specific heat of char(cc)、char density( ρc) are important in FDS simulation. Material properties based on experimental data should be able to improve the reliability of simulation results. 3.2 Accuracy of compartment fire simulation was usually the issue of v.

(16) 摘要. performance-based design. Therefore, validations of fire model and standardization of documents will provide both designer and government officer references. 3.3 Using FDS5 to perform solid phase combustion simulation, the prediction accuracy was in a reasonable range for a confined space wood crib burning. However, the material properties can be obtained by experimental method, it is important to build a standard for obtaining material properties through experimental data. This will help the improvement and development of fire simulation. 3.4 From the comparison simulation and experiment temperature, it was found that the temperature of FDS simulation near the burner is 100℃ below the experimental data. At the height of steel beam, the simulation result correlated well with experimental data. On the contrary, the simulation result correlated better near the ceiling when the measurement was taken far from the burner. 3.5 A technique of transferring the FDS temperature measurement into structure analysis software for further analysis has been established. We are now able to analyze the whole fire history from fire growth to structure damage under fire. 3.6 There are some parameters in FDS simulation and methods of measurements need to be further investigated in order to improve the reliability of simulation results. 3.7 We used 10 cm mesh size in the FDS heat release simulation in this study. The results show a good correlation with the experimental data. Therefore, we are able to screen out some conditions good for fire design. 4. Main suggestions For immediate strategies: Five ASTM standard related to the essential parameters for performing numerical simulation has been reviewed. By following these standards for determining the parameters, results of the fire performance-based simulation would be more reliable. For long-term strategies: Our research indicated that if the material properties can be properly determined, the simulation results can well simulate the real combustion result. Therefore, it is advised to establish standards for obtaining material properties for simulation and to collect material database. This would help the performance design and verification.. vi.

(17) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 第一章緒論第一節研究緣起與背景蔡銘儒、謝煒東(2006)以 ISO 9705 房間火災模擬實驗進行了兩因子(木堆分佈狀況、木堆堆疊密度)三水準，共計九種實驗條件，每種條件下進行 10 次重複試驗，合計 90 次的木堆燃燒試驗，結果顯示單一木堆燃燒速度與熱釋放率最高，在相同火載量下，木堆分散時，燃燒速度會減緩，且熱釋放率會降低。在相同火載量下，木堆數目變多時，燃燒速度也會減緩，經分析燃燒速度基本上與可燃物密度呈現線性的關係，即火災成長速率與可燃物密度成正比。此外，實驗結果也歸納出在假設火災符合常態分配模式，並假設計算所得之火災持續時間之信賴區間為+2σ(標準差)，經實驗統計結果仍有將近 0.4σ 的機率大於計算時間值。蔡銘儒、謝煒東(2007)再利用 10MW 燃燒產物分析器來進行較大尺度的燃燒模擬。研究重點著重於火災成長之影響因數探討，如通風、火源分佈、火源密度、天花板高度及壁面裝修材料等 5 因子，透過田口實驗設計方法，加以探討其對火災成長之影響，實驗中所選定之影響火災成長因子及空間條件分析結果顯示，木堆堆疊密度為主要影響因子，其次為木堆數量、天花板高度以及開口數量，影響性最小的則是同為不燃性之壁裝條件，由此可見木堆堆疊密度對火災成長之影響性，然而在防火性能設計方面，通常將可燃物換算等燃燒熱之木材重量表之為火載量；而在性能設計驗證模擬如能正確模擬材料燃燒特性，對於火災成長與延燒將更能進一步設計出符合性能設計目的。然而室內火災燃燒過程是一種複雜的物理、化學的綜合過程，而影響燃燒因素並非一成不變是隨機發生的，也因此造成火災燃燒過程及火災溫度的隨機性 (馮猛，2007)，且因大尺度火災模擬實驗，所需人力、物力、經費與時間龐大，在有限條件下以及火災變因複雜等因素，為利於研究分析，實驗往往所能採用之模型及態樣有限，實驗所得結果必然無法確切斷定火災成長因素影響性，有鑑於此，國際上陸續發展出數種火災模擬程式，透過程式之模擬再選擇必要之實驗驗證，將可提高研究或設計效能，本研究之火災模擬分析將採用 NIST（National Institute of Standards and Technology）研發而成，頗為流傳之火災模擬軟體 FDS (Fire Dynamics Simulator)為模擬工具，以 FDS 所預測之流場速度、溫度對比實驗之相關量測，其準確性約 80%(黃育祥，2005)，本研究採用 FDS 為工具主要是免費軟體在 NIST 之網頁上即可下載，而且使用者廣泛，並且有操作問題之討論區可供使用者彼此交換意見，整體而言，本研究將以此程式模擬，再與實驗結果進行比對檢證，以作為後續之研究工具。. 第二節研究內容與限制今年研究將著眼於局限空間火災成長與延燒，以歷年於內政部建築研究所防火實驗中心建置的 10MW 大尺度燃燒分析裝置、ISO 9705 房間量熱儀及可調整天花板高度之單一房間火災模式驗證實驗屋之局限空間，所進行之研究實驗資料為 FDS 模擬場景與參數設定進行模擬，再將模擬結果與實驗結果進行比對，期使局限空間火災成長與延燒模擬得以得到本土化之檢證，並建立模擬驗證技 1.

(18) 第一章緒論. 術，以及參考國際防火研究領導人論壇(FORUM)之「熱傳遞量測及計算」國際合作實驗計畫，進行實驗比對及建立房間火災熱傳遞至鋼構件之計算，作為建築構造耐火評估依據，使後續之研究或設計可先以模擬搭配以最適化因子分析模式，研析出火災成長、延燒及構件火害行為之要因，再據以研擬最適化對策與驗證，以縮短研究期程、節省實驗資源，並可供作性能設計，進行最適化防火性能設計以提昇建築防火安全。本研究所使用模擬實驗火源資料以柳安木堆為主，在進行模擬研究過程中，以 ISO 9705 之集煙罩下木堆燃燒實驗，進行模擬驗證先探討出柳安木之燃燒性質資料作為模擬輸入之參數，再以 10MW 下較大木堆量燃燒實驗及模擬，以進一步驗證材料燃燒性質及作必要之修正，完成木堆火源之模擬與驗證後，再以面積 5m×6m 具兩對向之 0.8m(寬)×2m(高)開口之局限空間內，以可控制之變因與非實務裝修之實驗所得資料，以經驗證過之火源參數資料，進行局限空間火災模擬，以及由模擬方式與實驗結果比對檢證其影響火災成長之因子，同時發展以火災模擬資料轉換熱傳遞模式，並作為構件耐火性能分析，在本研究模擬所得僅限於研究所用條件下所得結果，要進一步模擬實際裝修空間火災情境，必須建立各種材料、傢俱等本土燃燒資料參數作為輸入參數，並且須要進行必要之檢證。. 第三節研究方法與流程一、研究方法 (一)文獻探討：蒐集國內使用 FDS 模擬研究之經驗，探討其使用之問題與應注意事項，作為本研究模擬之參考。 (二)實驗資料整理：整理以往之實驗資料，針對模擬所須之輸入參數，建立或本土參數資料，補充本土材料燃燒性質實驗資料。 (三)模擬與實驗資料比對：進行模型建立與模擬，將模擬結果與實驗資料進行比對，研析其可能之問題點，並探討解決對策。 (四)以田口實驗設計法及模擬方式進行最適化因子分析。 (五)探討發展由 FDS 火災模擬結果以熱傳遞模式及以有限元素法進行構件耐火分析法。二、研究流程. 2.

(19) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 圖 1- 1 研究流程圖. 3.

(20) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 第二章國內使用 FDS 情形回顧第一節電腦程式 FDS 介紹一、FDS 模擬軟體簡介 FDS 模擬軟體是由美國 NIST( National Institute of Standards and Technology)於西元2000 年2 月公開發表第一版，2001年發表第二版，2002 年 11 月發表第三版，2004年7月發表第四版，2007年10月已發展到第5.0版。FDS 是一套計算流體力學(CFD Computational Fluid Dynamics)軟體，亦即所謂的場模式(Field Model)，採用大渦流模擬LES（Large Eddy Simulation）以及直接數值模擬 DNS（ Direct Numercal Simulation）解控制方程式，軟體的核心是 Navier-Stokes 方程組推導簡化而來，是符合質量守恆、動量守恆、物種守恆以及能量守恆的流體力學方程式，適用的範圍為低馬赫數(low mach number)的流場分析，亦即火場中由熱驅動的低速流場，著重在煙流及熱傳遞的現象，在燃燒理論方面採用混合分率模式(mixture fraction model)，解出計算區域中之各物理量變化情形，可預測室內外之多種火災問題、建築物之排煙系統、撒水頭動作、火災探測以及其他非壓縮流體之熱對流現象，目前已成為分析火災現象之最主要軟體，也有學者利用FDS 進行火場重建，由FDS 的模擬重建火場推估火災成長的方式。二、FDS 的架構與功能 FDS 為一動態火場氣流體流動計算軟體 (CFD ； Computational Fluid Dynamic)，使用DNS 及LES 方程式，將模擬範圍切割成若干正立方體之數值網格 (Computational Grid)，所有之計算必須在此諸格點完成，因此格點劃分的愈細計算上也愈煩複所須之時間愈久，但結果會較為合理精確，計算完成後透過 Smokeview 瀏覽軟體，將空間狀況與模擬結果以實體比例輸出至螢幕上，以方便使用者可以清楚地從螢幕上了解整個火災發展之過程，如圖 2- 1 所示：. 4.

(21) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 圖 2- 1. SmokeView 畫面[NIST(2007)1]. 此軟體可應用於建築物室內火災、室外火災、流體流動及熱力學上熱傳之計算。軟體架構如圖 2- 2 所示：. 圖 2- 2 FDS 運算架構圖[NIST(2007)] 首先針對欲模擬之對象物及所須輸出(Output)之結果建立一輸入檔(Input) *.data，經FDS程式之計算後，製造輸出計算結果檔*.smv、*.sf、*.bf、*.part、 *.iso、*.q、*.ini，再經由瀏灠程式smokeveiw觀看整個模擬計算過程, 其功能包括：模擬火場中煙層(氣流)流動方向、煙層溫度、煙層下降速度、火場能見度、燃燒釋熱率(HRR)、可燃物燃燒速度、自動灑水頭灑水動作及灑水分佈、感熱式探測器動作、火場溫度分佈、壓力、O2、CO2及CO濃度、排煙設備動作等。 1. NIST,Us e r ’ sGui def o rSmo ke v i e wVe r s i o n5- A Tool for Visualizing Fire Dynamics Simulation Data,pp4 and pp39,2007. 5.

(22) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 三、FDS 模擬內容設定與一般程序一般進行FDS 軟體運算上之主要操作內容及設定程序如下： (一)蒐集相關資料：建築物平面圖、內部空間區劃與開口通道、消防設備使用狀況、可燃物之擺設及其可燃物燃燒特性參數等。 (二)決定模擬方式：整棟模擬、樓層模擬、區劃空間模擬、單室模擬、開放空間燃燒模擬或其他應用模擬。 (三)設定模擬範圍大小(Computational Domain) (四)決定格點大小(Grid、Multi-block geometry) (五)模擬時間(Time Limits) (六)設定火災境況及決定起火源大小位置(Design Fire & FireScenario) (七)設定燃燒反應參數與材料邊界條件(Combustion Parameters & Boundary Condition) (八)實物輸入(Creating Obstructions) (九)VENT & SURFACE (十)輸入撒水設備或探測器(Sprinkler & Detector) (十一)決定輸出內容(Output Files：THCP、SCLF、BNDF、ISOF、PL3D) (十二)執行電腦運算(fds<*.data) (十三)結果分析與判斷(SMOKEVIEW) 四、FDS 平行運算簡介[黃育祥(2004)] 格點(Grid)大小對於FDS 運算使用LES model 預測建築物內火災產生的煙流動與熱傳的計算上重大之影響及差異，網格劃分愈細者其結果較粗網格者理想，但所花費之計算時間也就愈大，以目前桌上型個人電腦而言，100 萬個格點數尚屬可負荷之範圍，超過此範圍在計算上曠日費時，無法因應目前工程上之須求。模擬對象的格點數必須小於一定的尺度方能精確地計算出流場的黏滯應力。火羽柱 (fire plume) 最小長度尺度 (length scale) 為火災特徵直徑 (characteristic fire diameter) D* [McCaffery,1989]，亦即： 2. 5   Q  D *   C T g   p  . 電腦數值分析網格愈細其有限差分近似解愈準確，細網格計算可得較精確之溫度與速度，但所須花費之電腦計算時間及結果所佔之電腦記憶體也就愈大，使用者必須在兩者之間取得適當的平衡。隨著FDS 在國內愈來愈多人於模擬流體運動的領域內廣泛運用，計算的網格格點愈切愈細，模擬的對象格局愈來愈大，格點也朝向百萬格點數邁進，即進 6.

(23) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 入電腦大量運算的境界；雖然，隨著電腦科技的不斷進步，逐漸解決了FDS 對電腦運算能力的要求，但是單機電腦性能再強，仍是以單機作業運算，即使使用較高等級之Pentium 4、3.0GHz，並加大其記憶體容量(RAM=1.0GB)之個人電腦而言，僅能處理100 萬以內格點數之計算，約為10m×10m×10m 之對象，以10cm×10cm ×10cm 格點來劃分之量，如格點再切細或對象尺寸加大，則電腦運算效率立即明顯下降，對於大空間場所之模擬，無法在運算效率與精確度兩者之間取得平衡，甚至電腦會對格點數過大之模擬退出運算，根本無法執行模擬。有鑑於此，FDS4.0 版以後之版本即針對此項弱點，加入了平行運算之功能，以資源分享之觀點將多台電腦之運算能力結合在一起，同一案件，先切割成數個區塊，各個區塊均指定單獨的電腦來處理該區塊資料之運算，可大大降低單一電腦處理之資料量，相鄰區塊之電腦間亦需資料交換，然後將處理完之資料傳遞至主機電腦彙整，即可得到如同單機電腦運算之結果，此時運算時間較單機電腦運算縮短甚多，視連結電腦之數量而定；如圖 2- 3 平行運算示意圖所示。. 圖 2- 3 電腦平行運算示意圖理論上，電腦數量愈多，則運算時間愈短，但在運算效率及電腦數量之成本考量上，需取得有效之平衡值，並非一昧增加電腦數就可以有效縮短運算時間，當電腦數超過合理值（如電腦間資料交換量達到網路傳輸量），或分配給各電腦之資料量與增加之電腦數無明顯縮小時，即達到平行運算效率之臨界值，即效率 7.

(24) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. （時間）／成本(電腦數)達成平衡之最佳值，如圖 2- 4 平行運算之效率（時間）／成本(電腦數)示意圖。. 圖 2- 4 平行運算之效率 / 電腦數示意圖. 第二節國內使用 FDS 模擬火災文獻回顧本研究由國家圖書館全國博碩士論文資訊網及各大學電子學位論文資訊，蒐集國內建築火災研究方面使用FDS作為模擬工具之學位論文，由論文摘要中整理其FDS之模擬對象，並將模擬項目以火災成長延燒、煙控避難、消防滅火、構造防火、重建與其他加以分類整理如下：一、成長延燒作者出版年. 摘要. 蔡清雄. 2004 本研究針對核能電廠內安全相關開關箱室進行火災模擬案例研究。以火災發生頻率高且火災後果嚴重之開關箱室作為火災後果模擬對象，並使用FDS來模擬火場及相鄰開關箱室溫度之變化。. 邱晨瑋. 2005 本論文共分兩部份。第一部份為火災房間實驗及數值模擬，係針對火災房間探討回燃現象，以及天花板及牆壁裝修對閃燃現象之影響為主要研究目標。總共進行了五次貨櫃屋全尺寸燃燒實驗。在數值模擬方面，由於場模式與區域模式之燃燒模式均運用完全燃燒的化學計量方程式，所以火災溫度有高估的現象，且由於貨櫃本身係鑄鋼所構成，因金屬不易蓄熱導致其輻射回櫃效應不如水泥，所以閃燃與回燃發生時間應較使用水泥者為長，但整體而言，也與二種模式的模擬結果與實驗數據均有不錯的近似。 8.

(25) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 本論文第二部分是以SFPE性能式設計程序來評估設計十二吋晶圓廠無塵室煙控系統，本研究使用FDS模擬無塵室中火災煙流動情形。邱健倫. 2007 本研究主要分為兩個部分，第一個部分主要是以FDS來模擬暫態的密空間的火場，再以文獻的實驗驗證用大尺度渦流模擬 (LES) 法在模擬房間紊流流場及溫度分佈之能力，並依 Smagorinsky模式裡不同經驗參數的模擬結果根據實驗數據來加以分析比較。. 黃雄義. 2005 本研究以FDS為模擬工具，評估FDS 替代房間試驗之可行性。 FDS 模擬前需輸入格點配置及材料參數，因此本研究以「使用者」角度探討格點與材料參數之最佳選擇方式，研究中發現軟體準確度與使用者所輸入之格點配置條件及材料參數影響重大。故本研究可分為三部份，首先進行最佳格點尺寸及配置條件分析，之後決定適合之材料熱屬性參數，最終進行石膏板及耐燃合板ISO 9705房間試驗並與模擬結果進行比對。本格點配置研究結果顯示＝0.05時可獲得單一火源熱釋放率、溫度、氣流速度、火焰高度準確模擬結果為最佳使用格點尺寸。非均勻格點配置上以寬高比在1:2時可獲得最佳結果。 Multi-block區塊間格點重疊方式不同雖會影響模擬結果但差異不大，另在非火源區塊較大格點與火源區塊格點有效使用比例為1:3以下較為適當。房間試驗模擬結果顯示火場條件未涉及可燃物延燒時較能準確預測地板熱通量及天花板附近氣體溫度，但延燒發生時，則無法準確評估房間溫度及閃燃現象，此外對於房間氧氣、二氧化碳及一氧化碳濃度變化均無法準確預測，由結果顯示FDS即使採用最佳格點配置條件及材料熱屬性參數仍無法準確預測房間試驗結果，代表FDS 燃燒模式仍有待改善，無法完全取代 ISO 9705房間試驗。. 萬復森. 2005 本研究使用未具試體延伸板及具試體延伸板兩項裝置進行牆面延燒，之PMMA進行實驗。模擬部份，FDS結果顯示，寬度影響加熱強度及延燒速率，但其數值及趨勢均與實驗不符，無法模擬牆面延燒及寬度效應。. 莊英吉. 2007 本研究透過文獻分析、BRI 2002電腦模擬、FDS電腦模擬及全尺寸火災試驗，探討火載量、開口面積、居室大小、火災室溫度分布、可燃物排列、可燃物材質、火災持續時間及周壁隔熱性質...等相關因子對於建築物居室燃燒的影響，經研究評估後，最後將試驗設備建立為一棟兩樓高的鋼構建築物可進行預期的全尺寸火災模擬試驗。 9.

(26) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 蘇莫捷. 2007 本研究假設公寓集合住宅某一住戶發生火警，運用火災模擬軟體FDS加以分析，將其模擬的結果與消防介入搶救時間加以比對，藉此了解閃燃之臨界時間，並提出閃燃與爆燃防範、因應之建議，以供消防實務界及後續研究者參考。. 張文龍. 2004 本文以數值模擬方法，針對油槽區各式儲油槽做一分析，以場模式FDS軟體模擬油槽區火災，以不同的油槽直徑、安全間距、燃燒油料在不同風速下進行電腦模擬分析，以此模擬火場發生情形來探討發生火災時的火災油槽對鄰近油槽的影響及油槽安全間距恰當與否。. 余家均. 2007 本研究以CRT電視機為對象，進行火災燃燒試驗、煙毒性指數試驗，並輔以FDS（Fire Dynamics Simulator）火災模擬軟體，透過CRT電視機火災燃燒試驗之結果，進行住宅居室空間之模擬，以探討CRT電視機火災之危害性。在FDS模擬方面，本文將CRT電視機火災試驗參數導入FDS中進行住宅案例之火災模擬，可得火場中溫度、煙毒氣濃度、能見度及煙層下降影響等重要參數，可藉此評估住宅居室空間內發生CRT電視機火災時之危害性。. 二、煙控避難作者出版年. 摘要. 邱奕雄. 2005 本研究針對無塵室之特殊性，討論其為何會有適法性的原因及依法設置時的缺點，並提供國外的相關要求以為未來政府相關單位參考外，還利用性能式設計來替兩案例作排煙系統設計，以替代部分不適用的法規。在案例1中，無塵室因使用運送軌道來搬運12吋晶圓，因此需採用下排煙系統。案例2則為目前閒置中的TFT-LCD面板廠無塵室，故其須作最經濟的排煙系統規劃。本研究以性能式設計及配合先進軟體模式如FDS平行處理技術與SIMULEX，完成兩個防火安全設計案例。. 王俊傑. 2003 本研究是以性能式設計程序來評估設計十二吋晶圓廠無塵室煙控及上下排煙系統，並且利用FDS模擬無塵室中火災煙流動情形。在避難模式方面，利用動態避難模擬軟體SIMULEX模擬出晶圓廠人員避難情形，並且利用避難簡算公式(紐西蘭模式、日本DRES模式、2000年版日本建築基準實施令)評估人員避難安全。. 林木榮. 2002 本論文主要探討CD-R工廠在火災緊急應變系統設計中有關人員生命安全防護之有效性分析，此研究從三個方向著手。第. 10.

(27) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 一，利用火災風險分析概念，分別尋找高火災風險製程單元與區域；第二，利用FDS來模擬高火災風險製程單元與區域所造成之溫度、煙濃度、殘氧濃度與二氧化碳之危害特性；第三，利用IES所發展人員避難逃生軟體SIMULEX來分析人員避難模式與時間。賴葦芸. 2001 本論文分為兩個方向來探討無塵室內的火災防護。第一，利用 FDS來模擬廠房內煙流漫延的情形；第二，利用簡算模型與電腦動態避難程式（Simulex）來討論廠房內人員的避難動線與避難時間。最後歸納第一與第二部分之工作對我國的建築技術規則提出相關的建議修正方向。. 解力行. 2006 本研究在火災熱釋放率與煙流縱向速度之關係利用FDS 模擬。火災熱釋放率與局限速度之關係依照O. Vauquelin 之實驗參數進行電腦模擬。在低火災熱釋放率時，模擬之縱向速度明顯低於O. Vauquelin 之速度；而於高火災熱釋放率時，模擬之速度卻反而顯著的高於O. Vauquelin 甚多。接著，將模擬獲取之L/H 與U/U0 相關數據，與O. Vauquelin 實驗中所得到之L/H 與U/U0 關係圖比對，結果顯示模擬之點狀線形在 0.2MW 時與O. Vauquelin 頗為一致；但於10MW 接近L=4H 及 L>4H 處卻有偏離現象，此差異可能係O. Vauquelin 使用之煙霧為冷煙，而FDS 為火場所致。. 謝蕙如. 2006 本研究採用縮小尺度模型實驗及數值模擬作為研究方法，首先依不同縮小尺度之模型進行數值模擬，接著進行地下通道全尺度及縮小模型之數值模擬，最後以相同之火災情境條件，進行地下通道之縮小模型尺度實驗，探討地下通道之特殊煙流現象。由數值模擬及尺度實驗之各項結果發現，數值模擬結果由於受限於火源相關參數及模擬條件等影響，其數值模擬之火焰結構與尺度實驗之火焰結構不同，導致火源上方接近天花板之模擬溫度與尺度實驗數據差距過大。但於沿著通道流動之天花板噴流模擬溫度分佈則與尺度實驗有相同趨勢，均沿著軸向距離逐漸遞減。而在煙流沿著通道軸向之平均流動速度部分，數值模擬結果與實驗結果皆呈現相同之平均流動速度。. 傅世昌. 2006 本研究即以雪山隧道尺寸截取其中一段作為研究對象，應用火災動態模擬FDS來探討雪山隧道的火災情境分析及救援相關策略。本研究針對火災模擬軟體FDS和其平行運算的應用做介紹。. 王掁益. 2007 本研究將比較分析國內外高層建築物火災災例及藉由火災動態模擬分析(FDS)，探討高層建築物防火安全問題之所在，並尋找出高層建築物防火安全對策，期望對於高層建築物火災災 11.

(28) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 害之抑制能有所助益，進而提昇都市之整體安全與居住之品質。黃永富. 2007 本文係以FDS為研究工具，模擬大空間巨蛋體育館之自然排煙窗方位對於煙控系統安全性能之影響，以改善不適當之排煙系統設置，避免因受自然風之影響而使濃煙不易排出，蓄積於建築物內。. 林俊豪. 2005 本研究以近年被使用作為火災模擬分析之FDS火災模擬軟體作為分析工具。本研究考慮大空間中庭中發生之火災針對大空間排煙口參數進行模擬分析，如設置位置、風速與風量等對於大空間排煙之影響，並使用排煙指數分析中庭拉穿效應 (plug-holing)對排煙效率的影響大小，並設溫度偵測樹測量來觀察火災煙流的分佈狀況，以期能找到最佳之設置參數與建議，作為日後性能式設計與大空間火災實驗規劃之用。. 李政儒. 2006 本研究係針對一建築物中央空調系統(Heating, Ventilating, and Air-Conditioning, HVAC)與煙控併用系統進行風險評估與分析驗證。此研究從三個方向著手，第二部分為應用火災模擬軟體（Fire Dynamics Simulator, FDS）針對煙控系統改善前後進行火災後果模擬及量化分析，經模擬火場後，可以得到火場中煙流的危害特性，進而運用其數據來分析討論火場中煙層下降的情形。. 陳建銘. 2006 本研究應用火場模擬軟體FDS及建築物防火避難安全性能驗證技術手冊作為模擬工具，增設防火門、提升防火門遮煙性及增設直通樓梯等改善項目為輸入變數，針對垂直核集中型集合住宅建築物進行火場及避難模擬計算，再對各項模擬結果加以比較，分析各改善方法的成效。. 蕭敬倫. 2007 本研究內容以火源成長模式、煙流特性、建築物內煙流動情形等火災模式的基礎理論出發，對於現在國內所依據之「建築物防火避難安全性能驗證技術手冊」中之方法以及美國火災研究機構NIST所開發的火災模擬軟體FDS和此研究之煙層高度預測方法之間來做比較。. 楊育荃. 2007 本研究最主要的目的在決定FDS使用於大型室內空間的正確性與限制性。但在軟體的使用方面，隨著使用者格點配置的設定方式不同，可能會導致結果會有所不同，如火源位置的格點數與寬高比，當火源位置的格點數不足時會造成低估火焰溫度的情形發生，在Ma.與Quimtiere的研究中提到使用FDS軟體進行模擬，在 =0.05時會有最佳的溫度預測值，但在大型空間中要達到 =0.05是相當困難的，為了讓模擬的結果有更高的可信度，本研究從案例分析中發現在大型空間裡，若不考慮火源位 12.

(29) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 置的溫度時， 0.1~0.15即可有很好的煙流溫度預測值。楊育荃. 2002 於2000年時，NIST/BFRL（美國國家標準暨技術協會火災實驗室）發展出來一套 CFD 火災模擬軟體 FDS （ Fire Dynamics Simulator），這兩年來幾乎成為世界各國對於火災研究的使用者所使用最多的電腦火災模擬軟體，但在軟體的使用方面，隨著使用者設定的格點（Grid）配置與邊界條件的設定方式不同，可能會導致結果有所不同，本研究希望可以從案例分析中找出其中的不同性，讓未來的火災研究者做為實驗模擬的依據。. 薛朝鴻. 2004 在理論模式分析方面使用FDS進行模擬，模擬火災發生時建築物內的煙流、溫度分佈、二氧化碳濃度分佈及能見度分佈，再配合英國Gr eenwi ch 大學消防安全工程團隊( Fire Safety Engineering Group )研發的building EXODUS 人員避難模擬軟體，以期能將理論模式應用於實際建築設計。. 楊志偉. 2005 本研究以高雄捷運O5車站為研究對象，研究工具採用FDS與 SIMULEX(避難逃生軟體)，針對O5車站所設計之防煙區劃、防煙垂壁深度及排煙閘門之開啟模式，提出可行性之評估及改善之法。. 黃智鴻. 2006 本研究透過火災模擬軟體FDS針對核能電廠中易生濃煙區進行模擬，本研究評估該易生濃煙區在火災發生且排煙設備失效時濃煙分佈及能見度下降時間對進行救災之影響，以及探討該易生濃煙區之失火對策所規劃的救災路徑以及前進指揮所設置位置之合適性，而可提供給未來國內核能電廠在編寫或更新失火對策時之參考。. 陳旭景. 2003 本研究從相關避難安全理論出發，比較英國、美國、日本、紐西蘭、澳洲等國性能式法規，並以目前施工中之TAIPEI 1O1塔樓為例，分析作業場所火災危險因子並找出火源位置、規模與燃燒時間，援用日本避難安全驗證法與FDS電腦模擬軟體，探討施工中建築物於發生火災時，人員避難安全性，並提出防火安全管理對策，將有助於日後施工中建築物防火、避難安全之參考。. 李明儒. 2006 本研究為了瞭解無線感測網路系統應用於隧道以提高隧道防救災機制，在理論分析方面透過電腦模擬方法，使用FDS程式來預測隧道火災試驗結果。. 林文華. 2006 本研究以地下高雄捷運標準車站防煙垂壁做為個案研究，藉 NFPA 130避難逃生環境參數之安全性與FDS電腦軟體模擬火災情境做為性能式設計與法規式設計比較防煙垂壁有無之影響，進一步探討對機電管路空間影響。 13.

(30) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 吳俊霖. 2007 本文使用FDS火災動態模擬軟體來試驗，假設公寓內加裝探測器設備如一氧化碳探測器、偵煙探測器、熱探測器等，對火災逃生時的幫助以及影響，利用FDS能夠有效測試出火災時煙的流動以及火的竄燒情形，以及氧氣濃度、一氧化碳濃度和溫度分佈情形，加上公寓內的擺設以及家俱裝潢和材料等變數，來探討如何防止火勢蔓延以及防止被煙嗆傷的危機，進而加裝所需設備及器材，甚至改變家俱或是裝潢的材質，進一步讓居家生活更安全，降低火災所造成的傷亡。. 王俊偉. 2006 本研究以建築物內的空調風管與防火閘門為方向，配合FDS軟體和實際操作互相驗證。. 蕭建永. 2006 本研究以空間內的空調風管與防火閘門為方向，使用FDS火災模擬軟體建構一個3D的模擬空間並設置風管來做模擬，且在風管內設置一防火閘門，來了解風管內煙流的方向和火勢的大小，以做為評估辦公大樓火災發生時防火閘門的抵禦能力。. 曾政斌. 2007 本文特利用FDS模擬軟體，對「雪山隧道」進行火災模擬，以探討當火災發生時，火場之溫度、CO濃度及氣層高度等之變化，以及對隧道內人員的危害，繼而作為隧道消防搶救及避難逃生之參考。. 黃民杭. 2007 本論文以數值模擬軟體FDS，針對台灣高速鐵路桃園青埔車站地下月台進行案例分析。首先以FDS進行無防火措施模擬，再以現有的防火設施進行模擬比對，對於火災發生時之流場，溫度場及煙霧濃度作三維模擬分析，分析模擬結果所得之速度，溫度及一氧化碳濃度分布和相關的能見度及熱輻射強度來驗證車站排煙系統之設計性能是否能符合NFPA130所建議之逃生環境標準。. 胡元瀚. 2007 本文利用FDS來進行火災模擬，探討當火災發生時火場之煙流、二氧化碳濃度及氣層高度等變化，以及對生命財產所造成之影嚮，以瞭解火場各區域溫度傳播、濃煙擴散等情況，並將模擬結果做驗證，以探討遠茂光電之防火安全，並助於在規劃人員避難逃生及防火設計評估，供DVD光碟廠廠房興建及加強防火管理上參考之。. 李志鴻. 2007 本文將利用FDS來進行火災模擬，探討當雪山隧道發生火災時隧道內的煙控設施對隧道火場之煙流、CO濃度、熱幅射及氣層高度變化的影響，以瞭解隧道火場上、下游其溫度傳播、濃煙擴散等情況，並將模擬結果與歐洲UPTUN計劃中的隧道全尺寸火災試驗結果相互驗證，模擬結果供長隧道公路未來規劃、設施改善及防火之參考依據。. 鄭亦婷. 2006 本文以國內空廚廠房為研究對象，進行防火安全能力評估，並 14.

(31) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 由防火安全評估結果中選定特定區域進行火災情境模擬分析，將利用FDS火災模擬軟體進行火災情境模擬分析，以探討火場濃煙流動、溫度場及CO濃度之變化，並採用火災危險度評估方法以判定模擬情境下之火災風險度。模擬分析的結果可與防火安全評估結果相互比對驗證，以期能提供及改善該產業之防火安全能力。唐敏賢. 2006 本文即以發光二極體（Light Emitting Diode）磊晶廠為例，利用FDS來進行火災模擬，探討當火災發生時火場之煙流、二氧化碳濃度及氣層高度等變化，以及對生命財產所造成之影嚮，以瞭解火場各區域溫度傳播、濃煙擴散等情況，並將模擬結果做驗證，以探討發光二極體磊晶廠之防火安全，並助於在規劃人員避難逃生及防火設計評估，供發光二極體業界在廠房興建及加強防火管理上參考之。書. 賴志忠. 2004 本研究使用FDS模擬KTV火災之各種情境。經過FDS的火災模式計算後，所得到的火場溫度、壓力、流速、一氧化碳、能見度等重要參數的分佈狀況，進而利用這些數據來分析討論各個火場的情況。此外，本研究希望藉由分析的結果，來討論及改進消防戰術戰技之運用，以降低火災對人員的傷害，增加消防搶救的效率。. 林明勳. 2007 本研究使用FDS火場模擬軟體，著重觀察長公路隧道發生火災時，目前國內所設計之縱式通風排煙系統是否有足夠能力，將火災燃燒產生之濃煙順利往發生火災之下風處（依循車行方向）排除，以確保用路人可以不受濃煙影響下順利逃生。. 陳清峰. 2007 本研究首先將蒐集具備挑高中庭及大空間建築物煙控系統之相關文獻加以分析整理，並利用CFD-MODEL電腦模擬軟體，配合各種模擬條件，針對不同中庭結構之建築物進行分析探討。本研究以相同之補氣口高度及火源熱釋放率模擬條件，模擬不同中庭結構之建築物。另ㄧ方面，本研究依尺度法則之規定，對不同中庭結構之大空間建築物進行1/2縮小尺度電腦模擬，探討1/2縮小尺度模型實驗之可行性。. 葉琮勤. 2006 本研究之大空間之煙控系統性能式設計乃依據美國NFPA 92B, "Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Areas" 作為主要依據。充分考量大空間頂部之蓄煙特性，及自然排煙之性能。並以3D CFD電腦模擬分析及全尺度實驗印證，進行其煙控性能之驗證分析。經由分析不同火災情境之火場性質，如溫度分佈、CO濃度分佈、能見度分佈、煙層分佈等，藉以判定本建築物所設計之煙控系統性能，是否可提供 15.

(32) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 一條無煙之逃生避難路徑。柯建明. 2003 本文由FDS與另一國際間流體計算應用著名軟體（Star-CD），模擬比較地下車站火災時狀況且預測火災之煙沈積高度，和高度沈降速率。模擬結果顯示煙沈積高度及煙沈積速度比對之誤差皆在工程容許範圍內，對往後CFD模擬有著重要參考價值。. 陳榮進. 2001 於第四章，介紹月台層煙控系統之設計分析，說明定址式排煙之優點，並利用美國國家標準局 (National Institute of Standards and Technology) 建築物與火災研究實驗室 (Building and Fire Research Laboratory) 研發之火災成長預測程式—CFAST與FDS (Fire Dynamics Simulator)火災模擬軟體做為輔助工具，預測火災之煙沈積速度，模擬捷運車站月台層發生火災時，捷運車站月台層之濃煙煙層高度沈降速率及煙層溫度分佈。. 沈建宏. 2004 本研究以廠辦建築物為研究方向，根據國內80~92年間各類場所發生重大火災案例的起火原因與調查結果，本研究共收集 308例廠辦建築之火災案例，進行廠辦建築安全評估之研究。由各國評估表，經分析比較整理，得安全評估因素20個大項、 55個細項與其相對權重之關係，另將安全評估因素的影響程度分成A~E個評分等級，獲得防火安全量化評分，此為建築物防火安全的定量評估法；另外，本研究唯恐定量評估法不夠周延，特以FDS火災模擬程式，進行個案火災危害度分析，藉以估計人員的極限避難逃生時間，與人員實際避難逃生時間進行安全評價；如此亦可與定量評估法的結果相互印證。. 鄭宗敏. 2007 本文針對該建築物特性、火災類別、火災危險要因；並運用現行國際常用之火災動態模擬軟體FDS，設定電腦模擬評估條件，選定案例作風險分析，藉此了解該類建築物在發生火災時，評估火煙發展狀況及人員避難危害程度，同時在電腦模擬過程中，加入相關安全設備、強化防火避難設施及防火安全管理作為時，比較建築物火煙發展及對人員避難逃生之影響，以求相互印証，進而謀求防治對策與改善之道，更促使民眾能自主檢核，有效降低災害發生及損失率，以期提升台灣地區居住環境安全。. 李慶彥. 2007 本研究以透過行人流相關理論進行時間模擬假設，再以運輸問題指派方法建立避難逃生基本決策模式，並且探討模式的適用性與限制。在模式的限制條件上本研究以煙流擴散的時間當作避難逃生主要限制條件，運用火災模擬軟體FDS模擬煙流，以國立故宮博物院為案例探討火災時煙流對於模式之影響，期望能藉此研究提供避難逃生指引與防災演練參考。 16.

(33) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 蘇進忠. 2007 因目前對於火災煙流與建築物外部空間關係之研究較為缺乏，故本研究嘗試以此角度切入進行研究，以FDS火災數值模擬軟體模擬並探討當使用自然排煙之特別安全梯排煙室空間設計於 H型平面之集合住宅中間時，由排煙室排出之火災煙流會否滯留於排煙室建築外部空間，進而由外往內影響兩側居室人員安全，以及不同的建築外部空間尺度比例是否會影響火災煙流之流動。. 崔朝陽. 2003 本研究以日本西元二○○○年(平成12年)建築基準法修正公布之避難安全檢證法，分析影響避難時間及煙層下降速度之因子，進而使用FDS火災模擬軟體以功能性設計方法，比較分析其避難安全性能，最後以一處位於臺北市某地下商場（地下街）建築物，嘗試應用日本避難安全檢證法及FDS火災模擬評估方法，探討店舖及通道如有火災發生時，是否可得到避難安全並控制火勢，進而分析當自動撒水設備、自動防火鐵捲門或排煙設備等主動式或被動式防火失效時，其火災成長模式及對於避難安全之影響，以冀作為我國未來推動性能式法規在避避安全性能評估及防火性能評估應用上之基礎研究。. 陳昱勳. 2004 本研究考慮兩種之捷運列車火災之情境，分別為列車外底盤電阻格閘高溫起火引起底盤著火與列車車廂內蓄意縱火之兩種情境，並參考國內外的文獻與設計案例，以尋求最佳化設計參數及其對逃生之影響。本研究以FDS火災模擬軟體作為分析工具，其主要功能是用來模擬火災現象。本研究將建構多種案例，分析火災的多種情境模式，了解各種情況的煙流蔓延狀態，這些結果，將有助於工程設計或營運階段參考之用。. 蘇水波. 2004 本報告透過現場實際量測緊急運轉模式下風速與臨界速度進行比對檢討，並藉由煙流電腦模擬程式FDS進行電腦模擬分析驗證等方法進行研究。. 盧建宏. 2007 本研究利用性能式設計法（ performance-based design method）之驗證程序和步驟，以及數值火災模擬軟體FDS以及 SIMULEX人員逃生避難軟體分別進行煙控系統設計分析與避難性能評估。. 邱木全. 2005 本研究係針對一通信行動電話廠進行完整之整合性火災風險評估分析。此研究從四個方向著手，第一為風險評估技術之建立；第二為企業火災保險風險分析；第三為火災後果量化分析，利用NIST發展之場模式FDS來模擬高火災風險製程單元與區域所造成之溫度、煙濃度、殘氧濃度與二氧化碳之危害特性；之後為人員安全分析，利用IES所發展之人員避難逃生軟體分析人員避難模式與時間。最後歸納整體風險分析結果以了 17.

(34) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 解通信產業之火災風險程度。林靜慈. 2006 本研究利用性能式設計法 ( performance-based design method )之設計程序和步驟，以及數值模擬軟體FDS ( Fire Dynamics Simulator )，針對捷運地下車站公共區以及軌道區進行案例分析。首先根據火災緊急疏散檢核，選取其中最嚴重之案例( the worst case )作為模擬案例，接著再以FDS模擬軟體，對於火災發生時之流場，溫度場及煙霧濃度作三維模擬分析，分析模擬結果所得之速度，溫度及一氧化碳濃度分布和相關的能見度及熱輻射強度來驗證車站排煙系統之設計性能是否能符合NFPA130所建議之逃生環境標準。. 黃國勇. 2004 本論文研討半導體廠煙控系統設計及動作程序探討。整個煙控系統性能測試或驗證，使用電腦煙控軟體FDS進行模擬分析探討。最後將完整的煙控系統與廠區緊急應變進行結合，透過應變演練，期將可能事故損失降至最低。. 黃培誠. 2005 本論文以屋內電力設備場所火災之行為做研究，首先研究電力設備的熱源、熱傳遞方式及燃燒特性與危害；再採用西元2004 年NIST修正之FDS作模擬工具，求得電力設備在起火燃燒後該場所煙、熱與時間的相關數據。. 三、消防滅火作者出版年. 摘要. 張岱軒. 2007 本研究主要針對防火上經常使用的密閉式自動撒水頭，在各種不同火源位置下進行實驗，並分析影響撒水頭作動的因素。同時使用FDS進行模擬，並與實驗結果進行比較。整體而言FDS對此實驗所進行的模擬相當準確，而且溫度的分布趨勢也與實驗大致一樣。. 王瑋榆. 2006 本研究使用FDS探討排氣櫃內部裝設二氧化碳滅火系統之滅火效能。並將數值模擬之設定參數以全尺度實驗方式進行實驗二氧化碳滅火系統之滅火效能與氣流狀態之研究。由本研究之數值模擬與全尺度結果顯示，排氣櫃內部氣流狀態為排氣櫃安全效能所需考慮之設計參數之ㄧ。. 沈義哲. 2006 本研究除蒐集國內、外有關高科技廠房潔淨室（Cleanroom）設置自動撒水設備之相關規定，綜合研擬高科技廠房潔淨室自動撒水設備之相關設置建議，另為了解高科技廠房潔淨室設置自動撒水設備之適用性，並採用FDS模擬高科技廠房潔淨室發生火災時，在受潔淨室下吹式氣流影響下，其所設自動撒水設備之動作狀況，探討不同反應靈敏度（RTI值）或不同放水量之撒水頭作動放水時，火場之變化情形。 18.

(35) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 高士峰. 2005 本研究主要是以蒐集國內外集合住宅建築物防火及消防安全設備設置、施工、改善等相關法規、文獻、工程及火災災例等相關資料，並找出火害因子進行比較分析與歸納整理，進而探討集合住宅建築物防火評估之機制，再藉針對某一集合住宅內部裝修隔間材料及重新加裝探測器使用FDS火場模擬軟體，如此一來便可在模擬中得知相關數值如氧濃度分佈、一氧化碳濃度分佈、溫度分佈情形、能見度分布情形、釋熱率、探測器動作時間等，以作為本研究成果之一。. 林建勳. 2003 在理論模式分析方面使用FDS進行模擬，模擬所得之結果將與撒水實驗結果加以驗證比對，確實瞭解理論模式分析之正確性與合理性，以期能將理論模式應用於實際建築設計。本研究藉由電腦數值模擬與實驗所得之結果尚稱合理，雖然模擬所預測之溫度、撒水頭作動時間等結果與實驗數值有些許差距，不過對於整體的變化趨勢仍有不錯的預測結果。. 蘇家彥. 2007 本文以「質化」的方式探討世界道路協會不建議隧道裝設自動滅火系統的理由，輔以FDS模擬大貨車火災、遊覽車火災與油池火災之火災情境，探討天花板型撒水頭與側牆式撒水頭之動作對避難環境的影響。. 郭聰誠. 2006 本研究即以雪山隧道作為研究的對象，應用FDS的模擬來探討撒水系統應用於雪山隧道的滅火性能分析。首先在文獻探討上面了解隧道的特性及應用在隧道上的自動滅火設備的討論，再針對火災模擬軟體FDS和其平行運算的應用做介紹。接著模擬大客車在隧道中起火的火災情境，並模擬撒水系統在撒水頭口徑不同及壓力不同和啟動方式不同對於隧道中的大客車的滅火性能作一比較。. 張溯. 2004 本論文並基於火災模擬軟體FDS的多項特殊功能，而使用該模式針對電纜托網火災進行模擬評估，本研究透過電腦火災模擬分析探討兩條電纜托網間不同距離、空間通風狀況、排煙設備、自動撒水設備對火勢發展以及受熱目標所產生的影響，可以提供未來國內相關單位改善國內核電廠消防安全設計及進行消防安全評估之參考。. 陳佑任. 2006 本研究係針對醫療院所消防安全設施之現況，並藉由性能化設計方法進行評估，但由於性能化設計評估之範圍十分廣泛，現階段僅以自動灑水設備之性能化設計為首要目標，進行CFD model之模擬。. 陳泓翔. 2006 國內消防法規「各類場所消防安全設備設置標準」，常常只定義一些不可更改之數字，缺乏彈性。若能配合現今最流行之性能化設計（Performance Based Design），作一統整規劃，並 19.

(36) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 引以為國內消防法規之規範，便可解決許多傳統法規無法解決之問題。本研究依國內定溫式局限型探測器（ fixed temperature heat detector）之測試標準，經由反應時間指數（Response Time Index, RTI）公式於不同作動溫度下計算，發現竟會得出相同之RTI，此與Underwriters Laboratories （UL）之測試標準有所不同。而且國內消防法規對於定溫式局限型探測器之裝設規定仍有改善之空間，尤其當屋中有橫樑時，只將橫樑高度作二分法，其高度若超過40cm，則劃分為兩個探測區塊；若高度在40cm以下，則不須分為兩個探測區塊，此條法規亦與美國 NFPA （ National Fire Protection Association）72之規範相去甚遠，根據本研究之模擬結果，建議於大空間建築物且屋內有樑時，雖有裝設定溫式局限型偵測器亦須考慮其裝設位置與探測面積。再者，一般大眾所認知之穩態火災（油類火災），其溫度上升曲線與認知不同，若使用火災模擬軟體Fire Dynamics Simulator（FDS）模擬火場情境時，必須使用該油類之溫度上升曲線，其模擬方能得到較佳之結果。. 四、構造防火作者出版年. 摘要. 鄭柏青. 2006 本研究對象所探討的截火幕防火設備，包括(1)單層截火幕、 (2)雙層截火幕不同間距(嵌夾空氣層)之二種類型，模擬裝置以小型加熱爐及全尺寸設施為對象，並以上述裝置應用於火災動態模擬軟體FDS，藉以探討該類型的阻熱性能及輻射分級，是否符合法規等相關規範之需求。本研究以目前防火區劃法規需求下，蒐集截火幕防火設備之相關文獻，並以FDS模擬防火設備背溫及輻射熱，觀察火災發生時截火幕防火設備之阻熱性與週遭溫度變化情形，而後進行尺寸效應之探討，並提出阻熱性成效分析結果。. 簡力堅. 2006 本文藉由FDS模擬火場的樑柱間的溫度變化與 SAP2000結構分析軟體相輔相成，探討受高溫下，鋼結構的整體破壞行為，以期有助於災害之預防。. 何國晟. 2003 就已知之緻密輕質骨材混凝土、無細輕質骨材混凝土及常重混凝土之熱學性質，利用FDS(Fire Dynamic Simulator)程式，模擬其熱傳遞行為並比較其效益。. 20.

(37) 以 FDS 模擬局限空間火災與實驗檢證之研究. 五、重建作者出版年. 摘要. 黃育祥. 2005 火場重建係以科學原理為基礎來研判火場最為可能之發展情形。火場模擬重建之要素是以火災調查為本，結合火災工學、 FDS模擬軟體相輔相成。詳細調查火場可燃物之配置、通風效應、建築物之設計、滅火設備之影響、安全設備之特性及火源之評估等，透過模擬軟體將火災情境重現，可說明火、煙成長的情形。該項模擬分析起火原因及火災成長情境所預測之結果，與實際情形來比較。對於複雜火場之調查提供更多之效益、理解及清晰度。在理論模式分析方面使用FDS進行模擬，模擬所得之結果將與火災現場燃燒情形加以驗證比對，確實瞭解理論模式分析之正確性與合理性，以期能應用於實際火災調查當中。. 王春財. 2007 本研究是以桃園縣大園鄉菓林村的一棟透天民宅為研究對象，利用「FDS」軟體來分析火場，以電腦模擬火場各物理現象，針對上層溫度及CO氣體濃度等參數的變化，探討參數對火場及人員逃生的影響，進而利用這些資訊可以讓我們平時做好防火準備。. 范姜群傑. 2007 本研究針對位於台北縣樹林市龍興街火災案例，進行防火安全能力評估，並由防火安全評估結果中選定特定區域進行火災情境模擬分析，將利用FDS 火災模擬軟體進行火災情境模擬分析，以探討火場濃煙流動、溫度場及CO濃度之變化，探討相關參數對火災的影響以瞭解各參數對人員逃生有何影響。. 張文政. 2007 本研究針對位於桃園縣中壢市大同路民宅建築火災案例，利用 FDS模擬火災發生的情形來探討發生火災時的危險性，並且改變各種不同參數（分析火場在不同情況下主火源數量、易燃物數量、鐵門開口及房門開口、隔間材質不同之參數）來分析建築物之火場變化，並利用其結果：溫度與CO濃度的變化之結果作為逃生時間之依據，並提供相關單位參考與改善的方向，進而利用這些資訊（針對更改不同之主火源數量、易燃物數量、鐵門開口及房門開口、隔間材質的參數模擬之結果在進行探討之）可以讓我們平時做好防火準備。. 林俊良. 2007 本研究是以大里市透天民宅為研究對象，利用「FDS」軟體來分析火場，透過電腦以場模式來模擬火場中之物理現象，軟體的核心是 Navier-Stokes 方程組，用於解析熱驅動的低速流場，著重在煙流與熱傳遞現象，針對上層溫度、氣層高度及CO 氣體濃度的變化，探討相關參數對火災的影響，研究結果期冀能對防火工程上有著參考價值。 21.

(38) 第二章國內使用 FDS 情形回顧. 黃惠靖. 2007 本文以高雄縣大樹鄉住宅火災為研究對象，利用FDS進行火災情境模擬分析，探討當時火場的火流分布、濃煙流動、溫度分佈及上層溫度、CO濃度之變化、容許逃生時間，將分析結果與消防局火災調查課的鑑定資料相互驗證，以期能提供類似建築物參考，降低火災發生後對人員造成的傷害，甚至於降低火災發生的機率。. 李中儒. 2007 本研究是以三重市重新路五樓公寓火災為研究對象，此次火災為典型煙囪效應的火災，並利用FDS來分析火場，以電腦模擬火場各種物理現象，它屬於場模式，適用於多重區間建築且能模擬火災的環境，並針對上層溫度、氣層高度及一氧化碳濃度的變化，探討相關參數對火災的影響，並利用這些資訊可以讓我們防範此類火災。. 曾鴻志. 2007 本文係透過真實案例，利用「FDS」軟體來分析火場，檢視火災發生時造成重大傷亡的原因，並針對影響火災之重要因子，做不同的參數修正，以探討火場之上層溫度、氣層高度及CO氣體濃度等變化，進而利用這些資訊以了解公寓對防災的改善方法。. 何臺增. 2006 本文系透過真實案例，利用電腦程式FDS火災軟體類比火災，藉由自然煙控為主題，以可能影響火災之因子，如防煙垂壁、蓄煙井及開口大小等相關參數的條件設定。依據火災類比結果，描述自然煙控設施，對火場及人員逃生之影響，並比較不同之參數條件，對火場溫度變化與濃煙擴散等之影響，探討火災傷亡的原因與火災之可能影響因子，做不同的參數修正，尋求合適化的結果，獲得較佳之煙控模式及人員逃生建議，希望藉由本文的探討研究，對醫療院所防火效能之提升與提供消防工程設計之參考，有所助益。. 謝宗呈. 2006 本研究以東方科學園區火災為案例，收集相關資料、訪視現場及參考災後鑑定報告，探討高層建築煙囪效應火災擴散模式，利用電腦火災場模式軟體 FDS ，模擬當時火災現象所引起之煙囪效應及密閉空間之燃燒情形，並且設定各種參數變化交互分析比對，以了解不同的火場環境及防火安全設定對其煙囪效應結果之影響，探討出最佳化消防安全設計及措施。. 陳鴻中. 2006 本研究將以財團法人蘭陽仁愛醫院第二院區的火災案例作為模擬分析背景，借由案例探討火場在模擬各建築材料的改變下，對火場的影響程度的不同，並進一步找出最佳的設計條件，以分析火場的建築材料特性與人員避難之影響性，做為醫療院所在防火工程建築材料選擇上的參考。. 22.