建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析

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(1)建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. 內政部建築研究所研究報告中華民國 97 年 12 月.

(2) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. 研究主持人：何明錦協同主持人：林大惠研究人員：蒲仁勇、林建昌、蘇鴻奇研究助理：林俊雄、胡幃傑、蔡孟翰. 內政部建築研究所研究報告中華民國 97 年 12 月.

(3) ARCHITECTUURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Integrated Analysis and Full-Scale Evaluation on Fire-Prevention Performances of Building Fires (II): Numerical Simulations. BY MING-CHIN HO TA-HUI LIN JEN-YUNG PU JIANN-CHANG LIN HUNG-CHI SU. December 2008.

(4) 目次. 目次表次……………………..…..…………………………….…………... III 圖次……………………..………………..……………….…………... V 摘要………………..………………………..…………….…………... VII 第一章緒論………………..…………………………….…………... 1 第一節實驗縁起與背景………….…………………...……… 1 第二節研究步驟流程…………….……………….…………… 2 第三節文獻回顧……………….……………….……………… 3 第二章全尺寸房間火災實驗回顧…………..………..……………... 7 第一節實驗場景描述…………….…………………...……… 7 第二節實驗火災歷程及數據…….…………………...……… 12 第三章數值模擬……..……………………………………………... 21 第一節模型建立的理論基礎……….…………………………. 21 3-1-1 熱流模型…………………………………………… 21 3-1-2 燃燒模型…………………………………………… 22 3-1-3 熱輻射模型………………………………………… 23 3-1-4 熱邊界條件………………………………………... 24 第二節 FDS數值模擬參數設定……………………………... 25. I.

(5) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. 第三節 FDS數值模擬結果…………………….…….............. 29 3-3-1 火災場景1………..........…………………………... 29 3-2-2 火災場景2………….......………………………….. 34 3-2-2 火災場景3………….......………………………….. 39 第四節綜合討論……………………………….…….............. 40 3-4-1 化學反應模型.…..........…………………………... 40 3-4-2 燃燒模式..………….......………………………….. 40 3-4-3 輻射熱…………..….......………………………….. 41 3-4-4 材料性質.………..........…………………………... 42 3-4-5 氧氣極限.………..........…………………………... 42 3-4-6 通風條件.………..........…………………………... 42 第四章建築物火災成長特性技術參考手冊……. .….….….……. 43 第五章結論與建議………………………………………………….. 45 第一節結論……….…………………………………………… 45 第二節建議……………………………………………………. 46 附錄一…………………..…………………………………………..... 49 附錄二…………………..…………………………………………..... 63 參考文獻………………..…………………………………………..... 75. II.

(6) 表次. 表次表2-1. 火災場景的相關配置條件……………..….....……………… 12. 表2-2. 火災實驗歷程(場景1)……………..…….....……......……… 13. 表2-3. 火災實驗歷程(場景2)……………..…….....……......……… 16. 表3-1. FDS模擬空間格點配置(場景1及2)........…………….....…… 27. 表3-2. FDS模擬空間格點配置(場景3)......………………….....…… 27. 表3-3. FDS材料選擇......…………………………………….....…… 28. 表3-4. FDS場景3材料參數......…….………………………….....…. 28. III.

(7) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. IV.

(8) 圖次. 圖次圖1-1. 研究步驟流程圖………………………………..................... 3. 圖2-1. 多功能實驗模型內部可燃物配置圖（場景1及2）…… ….…... 7. 圖2-2. 多功能實驗模型探測器配置圖（場景1及2）…..... ………… 9. 圖2-3. 多功能實驗模型內部可燃物配置圖（場景3）…….…….....… 11. 圖2-4. 熱釋放率(場景1) …………………….......……......………… 13. 圖2-5. 實驗模型內氣體濃度(場景1) …………………......………… 14. 圖2-6. 熱釋放率(場景2) …………………….......……......………… 16. 圖2-7. 實驗模型內氣體濃度(場景2) …………………......………… 17. 圖2-8. 電纜承架交叉處照片(場景3) …………………......………… 18. 圖2-9. (左)黑煙流出門口及(右)內部火焰照片(場景3)…………...... 19. 圖2-10 熱釋放率(場景3) …………………...... …………………….. 19 圖2-11. 熱電偶樹溫度圖(場景3) …………………......……………… 20. 圖3-1. 模擬空間立體圖（場景1及2）….......…..............…………… 26. 圖3-2. 模擬空間立體圖（場景3）….….….….….….………..……… 26. 圖3-3. 不同材料設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景1)............ 30. 圖3-4. 不同材料設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景1)............ 31. 圖3-5. 模擬與實驗溫度比較圖(場景1)........ ...…...…...…...……… 32. V.

(9) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. 圖3-6. 不同氧氣極限設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景1)... 圖3-7. 不同氧氣極限設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景1)..... 34. 圖3-8. 不同材料設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景2)............ 35. 圖3-9. 不同材料設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景2)............ 35. 33. 圖3-10 模擬與實驗溫度比較圖(場景2)........ ...…...…...…...……… 37 圖3-11. 不同氧氣極限設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景2)... 38. 圖3-12 不同氧氣極限設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景2)..... 38 圖3-13 FDS模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景3)………………….. . 39 圖3-14 FDS第四版不同輻射熱比例與實驗熱釋放率比較圖…….. ... 40 圖3-15 FDS第四版不同燃燒模式比例與實驗熱釋放率比較圖…….. 41 圖A. 場景1實驗與FDS模擬(材料plywood)之熱電偶樹溫度比較圖 49. 圖B. 場景2實驗與FDS模擬(材料plywood)之熱電偶樹溫度比較圖 56. VI.

(10) 摘要. 摘. 要. 關鍵詞：建築物火災、火災成長、經驗公式、數值模擬、全尺寸實驗。. 一、研究緣起近年來，國內民生需求和人民生活水準不斷提昇，都會區的擴展與住宅區的形成非常快速，因此嚴重影響社區公共安全和個人身家財產的建築防火議題顯得日愈重要，也受到政府與民間的高度重視。有鑒於此，本所多年來一直著力於推動建築防火研究，期盼建築防火研究成果能落實於火災預防與提昇滅火效能與火災預防，進而促進台灣社會安全。二、研究方法及過程本年度將利用過去建立的全尺寸火場資料庫進行數值模擬分析，其結果再與實驗數據比對；經由比對差異，探討運用模擬計算程式所需考慮的基本設定、參數變化和相關修正因子，藉此建立使用性能設計法於火災情境設計計算之參考準則。為了驗證數值模擬分析結果之可靠性，選定一全尺寸火災場景建構電腦模擬程式，並進行數值計算預測，再輔以全尺寸火災實驗加以驗證。經由建立經驗公式、全尺寸火災實驗和數值模擬分析等逐年研究成果，於本年度建立「建築物火災成長特性技術參考手冊」，用以檢證區劃火災成長特性。三、重要發現對不同的火災場景進行數值模擬時，其預測的準確度因火場類型而定，當通風條件良好時，火災初期預測十分準確；但通風不良時，與實際現象相差甚大。可能影響數值模擬的因素包括：化學反應模型、燃燒. VII.

(11) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. 模式、輻射熱、材料性質、氧氣極限以及通風條件共六項。「建築物火災成長特性技術參考手冊」已完成，主要針對區劃火災成長特性提供一有系統之學理及相關經驗公式說明，且於章節之後有相關範例解說，可使讀者對於區劃火災成長特性有一概略性了解，其內容包含：燃燒基本概念、紊流擴散火焰高度、火災火羽流、開口流量分析、熱傳遞、區劃空間之全盛期火災、自開口處噴出之熱氣流特性以及煙之流動與控制共八章。四、主要建議事項本計劃綜合專家學者座談之意見，提出後續研究發展要點如下：建議一本土材質資料庫：立即可行主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：營建署、國立成功大學由模擬結果可知，當輸入之材質不同時，在相同幾何配置下，可能有不同的熱釋放率及氧氣消耗表現。美國 NIST 雖有材質資料庫，但各材質特性與國內常用建材相去甚遠；而建築研究所過去的試驗記錄缺乏系統性的整理，若能針對 FDS 所需參數建立資料庫，可望提升國內 FDS 模擬的準確性與可靠性。建議二通風條件對 FDS 模擬之影響：中長期建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：國立成功大學在通風條件良好時，FDS 模擬與實驗相符；但通風較差時，其預測與. VIII.

(12) 摘要. 實驗相差甚多。故建議針對通風條件設計實驗及模擬，以期確定 FDS 的通風條件限制，提升 FDS 模擬之可信度。建議三建築物火災成長特性技術參考手冊之修訂：長期建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：營建署、國立成功大學建築物火災成長特性技術參考手冊雖已完成，但其相關學理及經驗公式仍一直在發展更新中，最新知識技術的增添與過時資料的刪減十分地必要。. IX.

(13)

(14) 摘要. ABSTRACT Keywords: building fire, fire growth, empirical formula, numerical simulation, full-scale experiment.. This study performs numerical simulations of different fire scenarios. The scenarios were chosen from the full-scale fire database established in the past. By comparing the results of experiments and numerical simulations, the basic geometric modeling, parameter settings and relative correction factors required for the simulation program can be specified. To verify the results of the numerical simulations, a full-scale experiment was performed after simulation. With reference to the studies of empirical formula, full-scale experiment and numerical simulation by the past researchers, “Compartment Fire Growth Characteristics Reference Manual” was published.. Important findings: While simulating different fire scenarios, the accuracy of prediction depends on the type of scenario. When the ventilation condition is good, the prediction showed high accuracy in the beginning. But when the ventilation is bad, the results of simulation showed great differences from experimental data. There are 6 possible factors which may affect the simulation: chemical reaction model, combustion mode, radiation heat, material properties, oxygen limit and ventilation condition. “Compartment Fire Growth Characteristics Reference Manual” is completed. The guide provides systematic organization of the empirical. XI.

(15) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析. formula and their interpretations, and gives the user an overall concept of compartment fire growth characteristics. The guide contains 8 chapters: basic combustion theory, turbulent diffusion flame height, fire plume, flow rate analysis of the openings, heat transfer, fully developed compartment fire, characteristics of the hot gas issuing from openings, smoke flow and control.. XII.

(16) 第一章諸論 . . 第一章緒. 論. 第一節研究緣起與背景近年來，國內民生需求和人民生活水準不斷提昇，都會區的擴展與住宅區的形成非常快速，因此嚴重影響社區公共安全和個人身家財產的建築防火議題顯得日愈重要，也受到政府與民間的高度重視。有鑒於此，本所多年來一直著力於推動建築防火研究，期盼建築防火研究成果能落實於火災預防與提昇滅火效能與火災預防，進而促進台灣社會安全。為了融入性能設計國際潮流，本所於 91 年完成「建築防火有關性能設計法建議草案與案例解說」研究，其內容包含四大項：(1)建築物火災成長延燒防止技術之性能設計法（草案）、(2)建築物結構耐火性能檢證法（草案）、(3)建築物火災避難安全性能檢證法（草案）、(4)建築物火災煙控性能式設計法（草案）。其中建築物火災避難安全性能檢證法已於 93 年完成及出版「建築物防火避難安全性能驗證技術」，建築物結構耐火性能檢證法則於 94 年完成及出版「建築物構造防火性能驗證技術手冊」。除此之外，針對建築物火災的防火性能，本所持續進行一系列的研究探討，主題可歸類為開放空間燃燒熱釋放率分析、區劃空間火災與滅火實驗分析、消防撒水設備測試、以及 FDS 數值模擬分析等四大方向【1】，研究成果豐碩。去年執行「建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析」研究案【1】，除了歸納整理過去本所關於建築物火災的研究成果外，並彙整閃燃時間、火焰高度、自由空間火羽流與區劃空間火羽流等基本經驗計算公式；同時探討固定式可燃物與移動式可燃物於火場中的相互作用關係，分析通風效應、火載量大小、引火源位置的影響，進而建立多種全尺寸火場資料庫。本年度將利用過去建立的全尺寸火場資料庫，以電腦模擬計算程式進行數 . 1.

(17) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 值模擬分析，其結果再與全尺寸火場實驗數據比對；經由比對數值模擬與實驗數據的差異，進而探討運用模擬計算程式所需考慮的基本設定、參數變化和相關修正因子，藉此建立使用性能設計法於火災情境設計計算之參考準則。為了驗證數值模擬分析結果之可靠性，我們將延伸歷年室內火災延燒實驗案例，首先選定一全尺寸火災場景建構電腦模擬程式，並進行數值計算預測，再輔以全尺寸火災實驗加以驗證。經由建立經驗公式、全尺寸火災實驗和數值模擬分析等逐年研究成果，以檢證區劃火災成長特性。未來後續再就火災旺盛期、區劃火災溫度簡易預測、臨棟延燒等火災特性計算與模擬預測逐步進行檢證研究，奠立未來執行性能設計法的基礎。. 第二節研究步驟流程本研究將利用過去建立的全尺寸火場資料庫進行數值模擬分析，其結果再與實驗數據比對；經由比對差異，探討運用模擬計算程式所需考慮的基本設定、參數變化和相關修正因子，藉此建立使用性能設計法於火災情境設計計算之參考準則。為了驗證數值模擬分析結果之可靠性，我們將延伸歷年室內火災延燒實驗案例，首先選定一全尺寸火災場景建構電腦模擬程式，並進行數值計算預測，再輔以全尺寸火災實驗加以驗證。經由建立經驗公式、全尺寸火災實驗和數值模擬分析等逐年研究成果，本研究於本年度將著手建立「建築物火災成長特性技術參考手冊」，用以檢證區劃火災成長特性。研究步驟的流程圖如圖 1-1 所示。. 2.

(18) 第一章諸論 . . 圖 1-1 研究步驟流程圖全尺寸火場資料庫. 經驗公式預測. 數值模擬分析選定火災場景. 預測結果與實驗數據比對. 數值模擬與實驗數據比對. 建構模擬程式數值計算預測. 火災情境設計計算之參考準則. 火災實驗驗證. 建築物火災成長特性技術參考手冊. 第三節文獻回顧針對建築物火災的探討研究，一般研究方法不外乎建立經驗公式、全尺寸火災實驗和數值模擬分析等三大方向，三者各有長短處，但具相輔相成功能。建立經驗公式主要著眼於單一物理特性或簡化火災場景的實驗歸納，為了累積多次實驗結果進行歸納，實驗條件通常被理想化或簡易化；因此，套用經驗公式評估建築物火災特性雖然較為簡易方便，但是誤差大，尤其是呈階段性變化的火災成長與延燒，經驗公式的預測會面臨嚴苛的挑戰。全尺寸火災實驗則是建立所欲分析的全尺寸場景進行實際火場分析，實驗所需人力多、經費高、場地大，研究成果呈現真實現象，但是研究對象受到限制不易延伸應用。值得一提的是全尺寸火災實驗所建立的火場資料庫非常珍貴（花錢、費力、耗時所建立），可以用來與經驗公式、數值模擬分析所得結果相互印證比較。火災的數值模擬分析通常可以用來探討複雜的全尺寸火災，目前模擬軟體的發展相當迅速，但是受到資料庫（材料性質）與電腦計算能力的不足、以及不完整的物理 . 3.

(19) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 或化學模式等因素的影響，分析成果仍然有相當大的進步空間。基本上，經驗公式的歸納成果有助於數值模擬模式的充實與改善，全尺寸火災實驗則可以用來比對檢視計算結果的正確性，兩者皆可提升數值模擬分析的可用性與準確度。過去我們曾蒐集國內外文獻，彙整與建築物火災相關的經驗公式與全尺寸實驗【1】，於此不再累述，而將重點放在與研究主題相關的數值模擬分析方面，特別是美國 NIST (National Institute of Standards and Technology)新近發展的 FDS (Fire Dynamics Simulator)數值模擬軟體【2】的分析應用。數值計算的格點大小會直接影響模擬結果。Ma 和 Quintiere【3】使用 FDS 模擬軸對稱火焰，模擬時使用一特徵長度 R*，此特徵長度的定義為格點尺寸與火焰特徵長度 z*的比值，當這比值約等於 0.05 時火焰長度會有最佳的模擬結果，根據此一原理建立出來的格點大小，將會使運算結果較為準確。McGrattan 等人【4】及 Kwon【5】的研究進一步指出，依據實驗條件及電腦運算時間作為平衡，將格點尺寸設定為 0.1 倍的特徵火焰長度亦在可接受範圍內。對於單一火焰而言，有相當多學者利用 FDS 進行模擬分析。Cheung 等人【6】利用 FDS 模擬 0.3m×0.3m 方形甲烷燃燒器，模擬結果經過 FFT (Fast Fourier Transform)計算後，FDS 模擬隨高度對燃燒器直徑比不同呈現不同的振動頻率，而實際實驗則呈現固定的頻率。研究發現在連續火焰區、間歇火焰區及浮力火羽流區的高度模擬和實驗結果相似，但是火焰中心溫度較實際實驗高出約 200℃，且碳煙濃度較實驗結果低，可能導致熱幅射損失較低，而使火焰區溫度升高。Wen 等人【7】利用 FDS 模擬在開放空間中一中尺度 30.5cm 甲醇圓池火焰，熱釋放率約為 24.6kW，模擬範圍包括火焰中心速度及溫度分布、空氣引入量等，模擬結果和前人所做的經驗公式及實際實驗相當吻合。房間內部的幾何空間及通風環境會直接影響火災成長的形式與大小，甚至影響到閃燃條件。Chow 和 Zou【8】利用 FDS 模擬在出入口附近的空氣流率，模擬條件為在兩個相鄰的房間內，一房間側邊具有走道的環境。模擬及實驗結 4.

(20) 第一章諸論 . . 果顯示，實際實驗較 FDS 模擬在門口附近上層溫度低。而流出的空氣量則與通氣因子有關，FDS 結果和經驗公式及實驗結果均相當接近，流出空氣量約為 0.47WH2/3。 Musser 和 McGrattan【9】利用 FDS 模擬四種房間內煙氣流動的情況，分別為強制對流、自然對流、混合對流及置換式通風。此種問題在熱物體表面處的熱傳相當重要，而在熱表面附近的格點應設定為大於熱邊界層厚度。Lin 等人【10】利用 FDS 及 CFAST 模擬台灣常見的有騎樓之摩托車店，發現建築物內的熱釋放率受限於通風口大小而無法達到理論最大值，而起火點的改變也會對於人員逃生有重大影響，起火點位於地下室較起火點位於騎樓處更不易逃生，可逃生時間約略差距 100 秒。 Kerber 和 Milke【11】利用 FDS 模擬研究外氣引入對於天井中煙層累積的影響，將開口型態分為對稱式、非對稱式、開口位於各樓層及開口位於角落等四種不同型態討論，風速為 0 到 2m/s，火源利用木框架模擬。模擬結果顯示對稱式有較好的排煙效果，但入口風速若達到 2m/s 以上時，則會對煙氣產生擾動現象；而若將通風口設置位於煙層高度中，則會使煙層快速擴散至較低的樓層位置。Yi 等人【12】則利用 FDS 及 CFAST 模擬 22.4m×12m×27m 的天井空間，探討天井空間內的強制抽風對於煙氣層的影響。研究發現使用強制抽風時，其配置必須考量區劃空間內的可燃物總量，否則會導致房間內煙氣層受到外圍空氣進入的影響，使煙氣層下降更為迅速。針對區劃空間而言，亦有相當多學者模擬房間火災。Kim 和 Ryou【13】利用 FDS 模擬甲醇及己烷火焰滅火機制，模擬範圍為 4.0m×4.0m×2.3m 的方形房間內，利用水霧滅火。研究發現位於房間內低層的氧氣濃度在撒水後有減少的情況，是因為撒水增強了低層與高層間的混合，而在溫度方面模擬和實驗預測的相當準確，誤差約為 10℃內，但是因為缺乏火焰熄滅的模型，所以在預測火焰熄滅方面較不準確。Zou 和 Chow【14】使用 ISO9705 房間進行實驗並採用 FDS 模擬驗證，實驗採用汽油圓池火焰配置出不同的熱釋放率曲線，且改變通 . 5.

(21) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 風條件來預估閃燃時間。實驗結果顯示 FDS 模擬結果不論在溫度或者熱輻射方面均和實驗結果相符合，在天花板附近的溫度和實驗只有 10%的誤差，對於閃燃時間的判斷具有幫助。為了預測火場內的溫度及最高溫發生時間，Barnett【15】提出 BFD 曲線，利用通風及火載量等因子歸納出火場內最高溫度、到達最高溫度時間等火場內重要的參數；這一種簡便方式用以預估火場行為，適用的範圍相當廣泛，燃料為木框架、油類、車輛、家具等皆適用，燃料重量從 3-5100 公斤，溫度範圍為 500 到 1200℃，燃燒時間從 9 分鐘到 7 小時，火災成長速度從極慢到極快速皆可適用。Pope 和 Bailey【16】則利用 FDS 針對 Eurocode 1 及 BFD 進行驗證，發現 BFD 模式是相當準確的，而 Eurocode 1 在火災成長期會高估溫度，而在衰減期時溫度會被低估。 FDS 亦可用來模擬其他類型的火災，諸如倉庫或隧道等。Hu 等人【17】的研究使用 FDS 模擬一氧化碳在長型通道下擴散的情況，模擬分為兩種不同熱釋放率的火源。模擬結果顯示一氧化碳濃度隨著垂直高度的增加而線性的增加，而與火源距離增加則呈指數性減少，而兩種模擬均較實驗結果略低，但仍具備相當好的預測性。. 6.

(22) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 第二章全尺寸房間火災實驗回顧本研究將利用過去建立的全尺寸火場資料庫，以電腦模擬計算程式進行數值模擬分析，其結果再與實驗數據比對。數值模擬的火災場景將配合多功能實驗模型來建構，而實驗部分共包含三個不同的實驗場景．. 第一節實驗場景描述火災場景 1 及 2 為承繼去年度「建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析」研究課題【1】針對移動式可燃物及固定式可燃物，探討兩者間火災成長與延燒特性的相互影響效應。房間平面尺寸 6m×5m（牆心線），天花板高度 2.4m，牆面厚度 0.26m，模型的東北側與東南側各有一個 2.1m×0.9m 單開門，如圖 2-1 所示。圖 2-1 多功能實驗模型內部可燃物配置圖（場景 1 及 2）. 為了呈現不同形式的固定式可燃物，實驗模型牆面考慮全面壁裝(I)、上吊 . 7.

(23) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 櫃下壁裝(II)、下矮櫃上壁裝(III)、及高櫃(IV)等四種形式，各種形式均為寬 1.6m，高 2.4m，而櫃深 40cm，如圖 1 所示。採用兩兩配對且對稱擺設方式，將高櫃及上吊櫃下壁裝併接置於牆面 2 和 4 處，對正中央，而下矮櫃上壁裝及全面壁裝併接置於牆面 1 和 3 處，對正中央。施工方式先將厚 4cm 的壁裝材以 2.4cm× 3.6cm×90cm 角材固定於牆面，再安裝吊櫃、矮櫃和高櫃於壁裝材上。研究採用木框架來模擬移動式可燃物，每木條 2.4cm×3.6cm×90cm，實驗前置於烘箱內以 105℃烘乾 24 小時。堆疊木框架方式為每層六支，每層均以鐵釘固定，避免實驗中因受熱變形而產生崩塌。木框架底下設有一鐵盆，實驗前注入一公升之酒精膏，作為引燃木框架的火源。實驗使用熱電偶量測室內的溫度變化，以八個一組，垂直方向綁於細鐵鏈上組成一組熱電偶樹，並在外圍綁上一層防火隔熱棉，以保護熱電偶免於被燒毀。總共在實驗中用了 21 組熱電偶樹，因火災發生時，天花板附近溫度隨高度變化較為激烈，故天花板下使用較密集的熱電偶配置，每組熱電偶樹自天花板下 50cm 內，每 10cm 配置一點，共配置五點；超過天花板下 50cm 後，每 50cm 配置一點，共配置三點。熱電偶樹配置如圖 2-2 圓圈記號所示，使用的熱電偶為 K-type。屋內另設置有氣體探測管一支，用以量測實驗場內部氣體濃度，量測的氣體有 O2、CO 及 CO2 三種。其量測設備組成如下： (a) 電磁式 O2 分析儀 (b) 非分散型紅外線 CO 分析儀 (c) 非分散式紅外線 CO2 分析儀其量測位置如圖 2-2 三角形記號所示，測量高度為距離地面 180cm 處。. 8.

(24) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 圖 2-2 多功能實驗模型探測器配置圖（場景 1 及 2）. 場景 3 為模擬電廠開關箱室內部電纜線火災，其固定式可燃物為電纜線。房間平面尺寸為 6.4m×6.4m，高度為 3.6m，如圖 2-3 所示，牆面厚度設計為 0.26m，並使用加強磚造工法。模型東北側與東南側各有一 2.1m×0.9m 單開門作為房間開口，可依實驗需求自由開啟或關閉。本實驗關閉東北側門，但開啟東南側門。模型內擺設三層南北向電纜承架，如圖 2-3(b)所示，南北向電纜承架上方再架設二層東西向電纜承架。南北向電纜承架和東西向電纜承架交叉處的下方安置丙烷燃燒器，作為火災實驗的引火源，如圖 2-3(a)所標示的紅色圓圈處。另外，圖 2-3(a)標示四個黑色小圓圈，用來代表四個撒水頭的安裝位置，它們呈對稱擺設。除了西南角的撒水頭外，其他三個撒水頭鄰近處分別安裝三組熱電偶樹，圖 2-3(a)以 1、2 和 3 數字標示。熱電偶樹各有五個量測點，其高度位置從天花板向下算起各間隔 10cm，主要用來量測火場的上層溫度。 . 9.

(25) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 靠近南北向電纜承架兩側另外設置三組熱電偶樹，圖 2-3(a)以 A、B 和 C 字母標示，主要用來量測電纜線附近溫度，進而評估分析火焰的延燒行為。. 10.

(26) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 圖2-3 多功能實驗模型內部可燃物配置圖（場景3）. (a) 平面圖. (b) 側面圖. . 11.

(27) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 引火源與可燃物相關配置條件列於表 2-1。場景 1 和 2 用來分析通風效應，開口配置分別為雙開口和單開口，兩者的移動式可燃物擺設相同，皆為木框架 200 支置於模型中央。場景 3 用來分析不同固定式可燃物之火災表現，開口配置為單開口，表 2-1 火災場景的相關配置條件場景. 開口配置. 1. 雙開口. 2. 單開口. 3. 單開口. 移動式可燃物木框架 200 支模型中央木框架 200 支模型中央無. 固定式可燃物. 引火源. 櫃、壁裝. 中央木框架引燃. 櫃、壁裝. 中央木框架引燃. 電纜線. 丙烷燃燒器. 第二節實驗火災歷程及數據火災場景 1：其火災實驗結果說明如下。整體實驗歷程如表 2-2 所示。75 秒時移動式可燃物被引燃，約 248 秒上層濃煙開始由東南側門口逸出。東面固定式可燃物於 330 秒後被引燃，而實驗進行至 363 秒時，北面高櫃上方亦被引燃。690 秒時實驗場內僅剩四周木角材尚在燃燒，而到 840 秒實驗終止。圖 2-4 為場景 1 實驗的熱釋放率分析， Q& o 為煙氣經由 10MW 大尺度燃燒分析裝置收集，使用氧氣消耗法(Oxygen Consumption)【21】計算，所量測得到的熱釋放率。圖 2-4 下方圓圈符號○ E 代表東面固定式可燃物開始燃燒的時間，○ N 代表北方固定式可燃物開始燃燒的時間，而○ F 則表示觀察到閃燃的時間。Q& o 在整個實驗過程內有兩個峰值，第一個峰值主要是移動式可燃物被引燃所主導，可能發生局部閃燃現象，整體總熱釋放率達到 7MW；在此峰值發生後，由於固定式可燃物尚未全面燃燒，且中央移動式可燃物的火勢逐漸趨緩，所以造成總熱釋放率下降，直到約 700 秒時，四周固定式可燃物全面被引燃，而產生第二 MI 個峰值。圖中 Q&WC 表示移動式可燃物的熱釋放率，上標 MI 代表置於中央，其值. 12.

(28) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 表 2-2 實驗歷程(場景 1) 時間歷程(t). 發生現象. 0s. 點火. 75s. 木框架底部引燃. 140s. 火焰竄升至天花板. 284s. 東南側門口上竄出黑煙. 330s. 東面壁裝材上方引燃. 363s. 北面高櫃上方引燃. 379s. 火焰從南面門口竄出. 400s. 閃燃. 420s. 加大抽風變頻器設定至55Hz. 690s. 壁裝材及櫃子全面燒完，剩木角材燃燒. 840s. 實驗終止. 圖 2-4 熱釋放率(場景 1). . 13.

(29) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 係經由測重平台的質量損失率乘以柳安木熱值(12.06MJ/kg)而得，其計算式為：. dm Q&WC = − × 12.06 ， dt. (2-1). 其中. m. ：移動式可燃物質量(kg)，. t. ：火災發生後所經過的時間(s)；. 由圖 2-4 可觀察到在第一個峰值發生前（400 秒附近），移動式可燃物主導了大部份的熱釋放率。根據實驗結果，最大總熱釋放率約達 7.5MW，而實驗總熱釋放約為 2300MJ。因本實驗採雙開口通風，而 10MW 大尺度燃燒分析裝置只能油東南側開口部抽氣，部份煙量從北面開口溢漏，故實際之總熱釋放率有可能更高。圖 2-5 實驗屋內氣體濃度(場景 1) 25. O2(%). 20 15 10. 0. 40. 30. 30. 20. 20. 10. 10. 0 0. 200 400 600 800 1000 0 t(s). CO(%). CO2(%). 5. 0 200 400 600 800 10001200 t(s). 圖 2-5 為火災場景 1 實驗於實驗模型內西南角高度 180cm 處量測所得的氣體濃度，由圖得知實驗進行至約 400 秒，實驗屋內氧氣濃度降至極小值，這是因為移動式可燃物整體燃燒及部分固定式可燃物被引燃所導致，而第二個極小值出現在 600 秒，此時則為固定式可燃物所主導的火勢所造成。另外實驗屋內 14.

(30) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 之溫度分佈可參見附錄圖 A。火災場景 2：其實驗歷程如表 2-3 所示。在 162 秒時移動式可燃物被引燃，進行至 299 秒移動式可燃物火焰竄升至天花板，448 秒上層濃煙由南面口逸出。因為場景 2 採北面開口封閉，所以一開始由移動式可燃物所形成的熱煙氣，在北面容易累積較厚的煙氣，所以造成北面固定式可燃物最早引燃，時間為實驗開始後 500 秒，而後陸續引燃東面的固定式可燃物，南面固定式可燃物最晚引燃，而在 600 秒，觀察到大量的火焰竄出，判定閃燃。而在 600 到 900 秒之間火勢相當猛烈，進行到 963 秒，南面固定式可燃物逐漸燒盡，實驗在 1380 秒結束。 MI 圖 2-6 為場景 2 的熱釋放率分析，移動式可燃物熱釋放率 Q&WC 同樣由重量變. 化經由 4-2 式計算而得。從圖 2-6 中可以觀察到一開始總熱釋放率成長曲線 Q& o 成長較 D2-MI 緩慢，α 值為 0.025，這是因為場景 2 採單開口，供氣量較場景 1 不足。在 500 秒時，移動式可燃物陸續引燃四周固定火載量，在 600 秒時，總熱釋放率達到第一次峰值，可以發現第一次總熱釋放率峰值幾乎為移動式可燃物導致。而時間進行至 800 秒，此時熱釋放率達到最大值約 6MW，此時移動式可燃物熱釋放率已較趨於平緩，故可知第二次總熱釋放率峰值為四周固定式可燃物所主導。而從圖 2-7 中氧氣濃度可以知道在實驗 800 秒至 1000 秒，實驗屋內氧氣濃度極低，符合熱釋放率最大值所發生的時間，且氧氣濃度遠較場景 1 低，而實驗屋內的一氧化碳及二氧化碳濃度均達到儀器所量測的最大值. 32.77%，一氧化碳濃度遠較場景 1 高，顯示此時實驗屋內有大量未完全燃燒的可燃氣體。另外實驗屋內之溫度分佈可參見附錄圖 B。. . 15.

(31) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 表 2-3 火災歷程(場景 2) 時間歷程(t) 0s 162s 221s 299s 448s 500s 518s 558s 594s 602s 799s 881s 963s 1380s. 發生現象點火木框架底部引燃火焰竄升至木框架頂部火焰竄升至天花板南面門口上方竄出黑煙北面高櫃近熱偶樹12號處引燃東面壁裝材近熱偶樹19號處引燃南面高櫃近熱偶樹10號處引燃南方門口竄出大量火焰判定閃燃南方門口竄出大量黑煙火勢持續增強南面壁裝及櫃子燒盡實驗結束. 圖 2-6 熱釋放率(場景 2) 10. Qo QMI wc. D1-MI α=0.025. 8. Q(MW). 6. 4. 2. 0. E F N S 0. 200. 400. 600. 800. t(s). 16. 1000. 1200. 1400. 1600.

(32) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 圖 2-7 實驗屋內氣體分析(場景 2) 25. O2(%). 20 15 10. 0. 40. 30. 30. 20. 20. 10. 10. 0 0. 400. 800 t(s). 1200. 0. 400. 800 t(s). CO(%). CO2(%). 5. 0 1200 1600. 火災場景 3：實驗開始時，電纜承架交叉處之電纜，在丙烷燃燒器啟動後，直接受火焰加熱(圖 2-8)，溫度開始上升，電纜表皮裂解而開始冒出黑煙，電纜受高溫表皮剝落，在 250 秒過後，電纜剝落層受到火焰引燃，黑煙累積在房間上層，呈現完全無透光度之黑煙狀況，並且由門之上半大量流出(圖 2-9)。而房間下層則因有新鮮空氣注入，維持無黑煙之狀態。在 1200 秒燃燒器關閉後，溫度稍降，但隨即又上升，在 1350 秒後溫度達到最高值，房間內西南半部約在 600oC，而東北半部約在 900oC；平均溫度約在 750oC。圖 2-10 顯示無撒水情況下實驗的整體熱釋放率變化，由圖得知，整體熱釋放率從實驗開始便呈現陡升現象，最大值達到約 1.7MW，此一現象是受到實驗初期丙烷燃燒器提供熱量的影響。實驗進行到 20 分鐘（1200 秒）關閉燃燒器，從圖中發現熱釋放率隨即陡降，但下降時間維持不到 150 秒；約 1350 秒後熱釋放率便又開始提升，約 1500 秒時達到最大值約 1.8MW，這種現象顯示電纜線已被引燃而且持續延燒。1500 秒過後，熱釋放率則呈現緩慢下降的情形，直到實驗終止。圖 2-11 為實驗中熱電偶樹所測得的部分溫度變化，圖 2-11(a)中，由於 TCC 熱電偶樹鄰近於引火源丙烷燃燒器（參見圖 2-3），其各點溫度相較於其他熱電 . 17.

(33) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 偶樹均較高，而且溫度變化趨勢近似於圖 2-10 的整體熱釋放率變化趨勢。實驗初期，TCC-7 量測點因位於電纜承架第 1 層及第 2 層中央，可能受到燃燒器火焰穿越電纜承架的影響，溫度升高到接近 700℃ ，但持續時間不到 100 秒，便陡降。此熱偶樹最高溫發生在 TCC-7 量測點，約 1300 秒時，溫度達到將近 900 ℃；但靠近天花板的 TCC-1 量測點則在約 1500 秒時，達到最高溫約 800℃。在. 2000 秒過後，各量測點溫度便呈現下降，直到實驗結束。參考較短三組熱電偶樹（TC1、TC2 和 TC3）的配置（參見圖 2-3）發現，. TC2 熱電偶樹比較靠近引火源丙烷燃燒器，TC1 熱電偶樹位於試驗屋內部西北角落容易蓄煙蓄熱，而 TC3 熱電偶樹鄰近流出煙氣的東南側門；圖 2-11(a)顯示. TC1 熱電偶樹於實驗初期受到引火源丙烷燃燒器的影響，溫度陡升，最高達約 450℃。在 1200 秒燃燒器關閉後，溫度微降，接著受到電纜延燒影響，又升高至約 600℃。約 1500 秒後，溫度才開始呈現下降趨勢，直至本實驗終止。. 圖 2-8 電纜承架交叉處照片(場景 3). 18.

(34) 第二章全尺寸房間火災實驗回顧 . . 圖 2-9 (左)黑煙流出門口及(右)內部火焰照片(場景 3). 圖 2-10 熱釋放率(場景 3). . 19.

(35) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 2-11 熱電偶樹溫度圖(場景 3). (a)TCC. (b)TC1. 數值模擬即以此三種不同場景為對象，其詳細模擬參數設定及模擬結果見第三章。. 20.

(36) 第三章數值模擬 . . 第三章數值模擬本研究使用 FDS 進行數值模擬，FDS (Fire Dynamics Simulator)為美國 NIST. (National Institute of Standards and Technology)發展的數值模擬軟體，其適用範圍為低速、熱力驅動的流體運動，並特別重視火焰所引起的煙霧及熱傳效應。. 第一節模型建立的理論基礎以下將針對 FDS 的理論基礎作簡單的介紹，其中包含熱流模型、燃燒模型以及熱輻射模型等。詳細的內容可參考 FDS 技術手冊【2】。. 3-1-1 熱流模型常見的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)求解紊流的方式有直接數值模擬法 (Direct Numerical Simulation, DNS)、大渦流模擬法 (Large Eddy. Simulation, LES) 及平均化紊流模式法 (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)，而 FDS 所提供的計算方式採用前項兩種方法。整體流場模型是由數個基本守恆方程式所架構，包含質量守恆、動量守恆、能量守恆以及狀態方程式。質量守恆方程式：. ∂ρ +∇ ρ u = 0 ， ∂t. (3-1). 動量守恆方程式：. ∂ ( ρ u) + ∇ ρ uu + ∇ρ = ρ f + ∇ τ ij ， ∂t. (3-2). 能量守恆方程式：. ∂ Dp ( ρ h ) + ∇ ρ hu = + q&′′′ − ∇ q + Φ ， ∂t Dt . (3-3). 21.

(37) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 狀態方程式：. p=. ρ RT M. (3-4). ；. 其中， ρ 為密度， u 為速度向量， f 為包含重力項等力量項， h 為熱焓，τ ij 是壓力張量， q& ′′′ 是化學反應中單位體積產生的熱釋放率， ∇ q 代表傳導與輻射熱通量， Φ 則為動能因為黏滯力轉換成熱能的逸散項。. 3-1-2 燃燒模型在燃燒模型中主要是以無限快化學反應速率以及混合分率為基礎所建立。燃燒反應的一般通式為： vo [ O ] + vF [ F] → ∑ vP [ P ] ， P. (3-5). 其中， v 為化學當量係數，下標 O 代表氧氣，F 代表燃料，P 則代表生成物。而混合分率 Z 的定義為：. Z=. sYF − (YO − YO∞ ) ∞ O. sY + Y I F. ， s=. vO M O ， vF M F. (3-6). 其中，Y 為質量分率，M 為分子量；而混合分率也遵守質量守恆定律： ρ. DZ = ∇ ρ D∇Z 。 Dt. (3-7). 因為假設化學反應為無窮快，所以表示燃料與氧氣在反應時的速率很快，因此燃料與氧氣無法同時存在。火焰面的位置就是發生在燃料與氧氣濃度皆為零的位置，. YO∞ Z f = Zst = ∞ 。 sYF + YO∞. (3-8). 當處理範圍較大的火焰時，這種火焰面的定義可能無法產生正確的火焰高度，和動力行為。因此定義一個有效的火燄位置 Z f,eff 以幫助程式正確的捕捉到 22.

(38) 第三章數值模擬 . . 火焰的範圍， Z f,eff ⎛ D* ⎞ = min ⎜ 1, C ， Zf δ x ⎟⎠ ⎝. (3-9). 其中，C 為經驗常數，δ x 為隔點大小， D* 為火焰特稱長度，此處作為參考長度。當計算的解析度越高時， Z f,eff 會越接近理想值 Z f 。使用這種方法的好處是，在格點的解析上不只考慮格點的大小並且將火焰的大小也考慮進去。因為混合分率是無因次參數值，所以無法單獨的用來計算物種的分布，因此還需要氧氣的狀態關係式，理想的氧氣狀態關係式是以燃料與氧氣無法同時存在為基礎建立的， Z < Z f ， YO ( Z ) = YO∞ (1 − Z / Z eff ) ，. (3-10). Z > Z f ， YO ( Z ) = 0 。. (3-11). 單位體積的熱釋放率是以 Huggett【18】的氧氣消耗法關係式為基礎來建立， q& ′′′ = ΔH O m& O′′′ ` ，. (3-12). 其中， ΔH O 為單位質量的氧氣燃燒熱， m& O′′′ 為氧氣質量消耗率。 m& O′′′ 是以氧氣燃燒率定義， dY ⎛ ⎞ dY − m& O′′′ = ∇ ⋅ ⎜ ρ D O ∇Z ⎟ − O ∇ ⋅ ρ D∇Z dZ ⎝ ⎠ dZ. 。. (3-13). 3-1-3 熱輻射模型非發散氣體的輻射傳遞方程式(Radiative Transport Equation)為：. s ⋅ ∇I λ ( x, s ) = κ (x, λ) ⎡⎣ I b ( x ) − I λ ( x, s ) ⎤⎦ ，. (3-14). 其中， s 為單位向量強度， ∇I λ ( x, s ) 是波長等於 λ 時的輻射強度，κ (x, λ) 代表吸收係數， I b ( x ) 則為黑體的輻射強度。而能量方程式中的輻射損失項為： . 23.

(39) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . −∇ ⋅ qr ( x ) = κ (x) ⋅ ⎡⎣U ( x ) − 4π I b ( x ) ⎤⎦ , U ( x ) = ∫ I ( x, s ) d Ω 。 4π. (3-15). 格點所獲得的輻射能量是發射量與吸收量的差值。源項的定義為： ⎧⎪ ，於火焰面外 κσ T 4 / π κ Ib = ⎨ 4 ⎪⎩ max ( X r q&′′′ / 4π , κσ T / π )，於火焰面內. ，. (3-16). 其中， q& ′′′ 代表單位體積的熱釋放率， X r 代表熱輻射所佔能量的比例。而輻射熱通量 qr 為：. qr (x) = ∫ sI ( x, s ) d Ω 。 4π. (3-17). 3-1-4 熱邊界條件固體表面熱損失考慮對流及輻射兩種模式，而計算對流熱傳模式則根據紊流模式不同而有所改變。在 DNS 模擬中，對流熱傳模式是藉由邊界附近的氣體溫度梯度來達成，. q&c′′ = −k. ∂T ∂n. (3-18). ，. 其中， q&c′′ 為藉由對流的熱傳量， k 為氣體熱傳導係數。在 LES 模擬中，經由對流傳遞至固體表面則同時考慮自然對流及強制對流兩種模式，. ⎡ q&c′′ = hΔT ； h = max ⎢C ΔT ⎣. 1 3. 4 1 ⎤ k 3 0.037 Re Pr 3 ⎥ ， , L ⎦. (3-19). 其中， ΔT 為固體與氣體的溫度差，C 為自然對流係數， L 為固體的特徵長度。若固體邊界材料為燃料，FDS 將燃料分為三大類，分別為熱塑性燃料、液體燃料與碳化燃料。本實驗採用木頭作為裝潢材料，故僅考慮碳化燃料部份。. Atreya【19】及 Ritchie 等人【20】已經將碳化材料的熱傳及熱裂解現象有詳細的研究。FDS 將碳化材料模型分成材料內部熱傳遞、水分蒸發及材料本身氣化 24.

(40) 第三章數值模擬 . . 為氣體燃料與碳化現象等部份分析，其能量統御方程式可表示為： ___. ρc. ∂Ts ∂ ∂Ts ∂ρ s ⎡ ΔH pyr − C (T − T0 ) ⎤⎦ = ks + ∂t ∂x ∂t ∂t ⎣. ∂ρ + m ⎡⎣ ΔH ev − D (T − T0 ) ⎤⎦ ∂t. ，. (3-20). 其中， ρ s 為平均固體密度， ρ m 為水分密度， ΔH pyr 及 ΔH ev 為材料裂解熱與。而其材料熱裂解與反應速率則以 Arrhenius 化學反應做為模型：. m& ′′ = A ( ρ s 0 − ρchar ) e− EA / RT. ，. (3-21). 其中， ρ s 0 為原材料密度，而 ρ char 則代表碳化物的密度，EA 為活化能。. 第二節 FDS 數值模擬參數設定數值模擬採用由 NIST 發展的 FDS 第五版。其第五版在材料由固態轉變為氣態而後進行的燃燒化學反應建構上較前版完善。模擬中將房間大小、開口尺寸與固定式可燃物配置設定與實驗相同，但數值模擬中仍有部分條件無法與實驗完全相同，以下將詳細討論。場景 1 及 2 中實際房間 6m 長×5m 寬，以砌磚方式搭建，牆厚 0.26m，天花板高 2.4m，材質為防火棉，南北各有一門，2.1m 高×0.9m 寬。在模擬中因預留空間為觀察外部空氣流動之用，因此較實際的實驗場範圍稍大，整體模擬的空間大小為 6.7m 長×5.4m 寬×2.7m 高。壁面裝修凸出牆面而內部中空，木板厚度設為 0.05m；天花板則直接與牆面及地板一同設為磚材。模擬採平行運算系統，將模擬空間分為三個區塊，利用三台電腦進行平行運算，其格點分配如表 3-1 所示，模擬之空間如圖 3-1 所示，(a)相當於全尺寸實驗結果【1】中的場景 1，而(b)相當於全尺寸實驗結果【1】中的場景 2。. . 25.

(41) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 3-1 模擬空間立體圖(場景 1 及 2). (a) 場景 1. (b) 場景 2. 場景 3 則房間平面尺寸為 6.4m×6.4m ，高度為 3.6m ，牆面厚度設計為. 0.26m，東南側有 2.1m×0.9m 單開門作為房間開口。可燃物為南北向電纜三層及東西向電纜兩層共五層。模擬空間為 7.2m 長×7.2m 寬×4.5m 高；天花板與牆面及地板設為磚材。格點分配如表 3-2 所示，模擬之空間如圖 3-2 所示。. 圖 3-2 模擬空間立體圖(場景 3). 各項可燃及不可燃物材料參數的選擇在 FDS 中有內建資料庫的材料參數可供使用。表 3-3 列出各場景中各項材料的參數設置，表中各項材料特性請參考. FDS 內建資料庫，但 plywood 為實際測試合板材料後，記錄其物理性質而進行模擬。其中 spruce 的內建密度 450 kg/m3 灰份參數為 35%，不過在實際火災場景 26.

(42) 第三章數值模擬 . . 中灰份殘留較少，故向下修正為 15%進行模擬；相較下實際測得之 plywood 其密度為 730 kg/m3 而灰份比例為 21.5%。在進行場景 3 的材料參數設定時，由場景 1 及 2 之模擬結果可知材料性質對模擬結果影響甚大，故在進行模擬及全尺寸實驗前，將電纜(可燃物)分解並測量其性質，結果如表 3-4。最上層與最下層為 5000V 級電纜。而中間三層為核能級與非核能級電纜混合放置，可燃物性質使用兩者混合比例設定。格點大小的選定，對於模擬結果的影響是很重要的，格點分得越細，必須耗費較多計算時間，且有可能使程式發散；本研究中使用【3】之公式推得場景. 1 及 2 中較適當的格點大小為 0.05m，而場景 3 中格點大小則使用 0.1m。. 表 3-1 FDS 模擬空間格點配置(場景 1 及 2) 總格. 空間尺寸. x 方向格點 y 方向格點 z 方向格點大小(m). 大小(m). 大小(m). MESH 1 2.25m×5.4m×2.7m 262440. 0.05. 0.05. 0.05. MESH 2 2.23m×5.4m×2.7m 262440. 0.0496. 0.05. 0.05. MESH 3 2.22m×5.4m×2.7m 262440. 0.0496. 0.05. 0.05. 點數. 表 3-2 FDS 模擬空間格點配置(場景 3) 空間尺寸. MESH 1. . 7.2m×7.2m×4.5m. 總格. x 方向格點 y 方向格點 z 方向格點. 點數. 大小(m). 大小(m). 大小(m). 233280. 0.10. 0.10. 0.10. 27.

(43) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 表 3-3 FDS 材料選擇物體. 材料特性. 天花板. 'brick'. 牆壁. 'brick'. 地板. 'brick'. 固定式可燃物木材. 'spruce / plywood'. 線軌及支架. 'steel'. 電纜線. 'plastic + copper + hypalon'. 表 3-4 FDS 場景 3 材料參數核能級電纜. 非核能級電纜. 5000V 級電纜. 密度(kg/m3). 1517.4. 1359.3. 1353.3. 燃燒熱(kJ/kg). 3993.5. 5570.9. 10627. 灰份(%). 31.44. 31.11. 34.81. 場景 1 及 2 中置於實驗模型中央的固定式可燃物是採取木框架的堆疊方式，每根木條 2.4cm×3.6cm×90cm 的尺寸，若欲完全模擬則計算格點需縮小，而計算量將超出電腦負荷。故以一氣態燃燒器模擬移動式可燃物，此氣態燃燒器的熱釋放率略等同於全尺寸實驗【1】中以質量損失率推估移動式可燃物(wood. cribs)的熱釋放率，在 FDS 程式中，熱釋放率可以 ramp 指令設定為多段直線以近似逼近實際情形，即為熱釋放率圖中虛線。在 FDS 程式中，對於可燃極限之設定為：當氧氣濃度 15%以下及溫度 1427K 28.

(44) 第三章數值模擬 . . 時為無法點燃；此設定值對熱釋放率之成長及總熱量影響頗大，模擬中採氧氣極限為預設之 15%及較低之 12%分別進行計算。. 第三節 FDS 數值模擬結果模擬結果輸出可分為報表輸出及 plot3d 格式輸出，報表內容包括熱釋放率與實驗模型內部數據，其中實驗模型內部數據可顯示各位置的溫度、氧氣濃度等資料；plot3d 格式提供在特定時間下全場景的完整資料，此設定為每 50 秒輸出一次。由於模擬使用氣態燃燒器取代實驗中的移動式可燃物，故模擬所得數據必須加上木框架自身被點燃時間，在場景 1 中約為 210 秒；場景 2 中則為 400 秒。. 3-3-1 火災場景 1 圖 3-3 不同材料設定模擬下的熱釋放率曲線與實驗量測值之比較，exp.為實驗所測得之總熱釋放率，wood cribs 則為以質量損失率推得之移動式可燃物熱釋放率；spruce / 0.15 與 plywood / 0.15 分別為材料以 FDS 內建資料庫材料及實際量測所得材料性質進行設定，而 0.15 表示以氧氣極限 15%(即預設值)進行模擬。相較下可發現總熱釋率整體趨勢皆呈現雙峰形態，亦即有兩個高熱釋放率的時間點。火災成長期趨勢相同，且最高熱釋放率皆達到 7MW。更進一步比較高熱釋放率的時間點，實驗及 spruce 第一個高熱釋放率時間約在 400 秒，相當吻合，但 plywood 到達最高熱釋率之時間則延至約 500 秒時，主要由於其灰份比例較高，引燃較困難。隨後的熱釋放率下降趨勢 spruce 及 plywood 皆無法與實驗相符。而第二個高熱釋放率發生之時間，實驗值落在 spruce 及 plywood 兩者之間，而後 spruce 的熱釋放率快速降至與僅有氣態燃燒器相同，可能表示固定式可燃物已燒盡；plywood 則在氣態燃器關閉後熱釋率仍持續上升，並到達其第二個高熱釋率點。在總熱量上，plywood 高出 spruce 甚多，主要為兩材料熱值相近，但密度不同(spruce 450 kg/m3，plywood 730 kg/m3)故總熱量不同。 . 29.

(45) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 3-4 為 FDS 模擬所得的氧氣濃度比較圖，實驗測得及模擬之氧氣濃度為西南角 180cm 高度處的氧氣濃度，實驗及 spruce 與 plywood 三者的氧氣濃度最低值皆可對應到各自的兩個熱釋放率最高值。氧氣濃度實驗最低值為 10%而. FDS 模擬最低值為 2%。FDS 的氧氣消耗量明顯地高過實際量測值，其可能成因為 FDS 燃燒模式可能不適合此火災場景，模擬場景雖為雙開口房間，但 FDS 處理氧氣不足的燃燒型態時表現較差，未來於參數設定時可能需針對特定場景加入修正參數。圖 3-5 為 FDS 模擬與實驗在熱電偶樹位置 7、8 與 9 處(參照圖 2-2 配置圖) 之近天花板四點溫度比較圖，編號 1 至 4 代表熱電偶距天花板 10，20，30 及. 40cm，完整之熱電偶樹溫度圖請參見附錄圖 A。左側圖為全尺寸實驗場景 1 的溫度分佈，右側圖為材料設定為 plywood 時模擬所得，圖中虛線表示閃燃發生之時間。可發現兩者閃燃時間相差不多，接近 400 秒，兩者整體曲線形態亦十分相似；但模擬所得溫度略高於實驗值，此外模擬中同熱電偶樹上四點溫度接近相同，相較於實驗中則各有高低，顯示出 FDS 的氣流較實際亂而混合效果較強。圖 3-3 不同材料設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景 1). 30.

(46) 第三章數值模擬 . . 圖 3-4 不同材料設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景 1). . 31.

(47) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 3-5 模擬與實驗溫度比較圖(場景 1). 32.

(48) 第三章數值模擬 . . 圖 3-6 不同氧氣極限設定模擬的熱釋放率曲線與實驗量測值比較，exp.為實驗所測得之總熱釋放率，wood cribs 則為以質量損失率推得之移動式可燃物熱釋放率；圖 3-6(a)及(b)分別為材料設定 spruce 與 plywood；而 0.15 及 0.12 代表氧氣極限設定為 15%(預設值)與 12%進行模擬。由圖 3-6(a)及(b)可發現，對不同材料而言，氧氣極限設定有相同的結果：當氧氣極限由預設 15%降至 12%時，在火災成長期，其熱釋放率成長速率快，與實驗值更為接近，且不影響最高熱釋放率峰值；但較低的氧氣極限不僅使火災成長加快，其熄滅時間也同時提前；而總熱量則略為增加。圖 3-6 不同氧氣極限設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景 1). (a) spruce. (b) plywood. 圖 3-7 為氧氣濃度比較圖，spruce 與 plywood 兩者降低氧氣極限後(12%)，氧氣過度消耗的情形皆較預設值嚴重，顯示出改變氧氣極限並無法改善氧氣過度消耗的問題；反而熱釋放率成長的加快以及總熱量的增加皆反映在較多的氧氣消耗上。. . 33.

(49) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 3-7 不同氧氣極限設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景 1). (a) spruce. (b) plywood. 在通風條件較良好的場景 1 中(雙開口)，若材料設定較接近實際材料則 FDS 在火災成長期的熱釋放率與整體熱釋放率趨勢上和實驗相當吻合，不過溫度分佈較實驗均勻且平均溫度較高。但無論材料選擇以及氧氣極限之設定，FDS 仍呈現過量的氧氣消耗。. 3-3-2 火災場景 2 圖 3-8 為不同材料設定模擬下的熱釋放率曲線與實驗量測值比較，exp.為實驗所測得之總熱釋放率，wood cribs 則為以質量損失率推得之移動式可燃物熱釋放率；spruce. / 0.15 與 plywood / 0.15 分別為材料以 FDS 內建資料庫材料及實. 際量測所得材料性質進行設定，而 0.15 表示以氧氣極限 15%(即預設值)進行模擬。實驗中總熱釋率整體趨勢呈現雙峰形態，但 FDS 模擬中，無論材料為 spruce 或是 plywood，僅在約 650 秒時有一峰值，650 後則呈現反覆的點燃及熄滅直至模擬結束。與在場景 1 中相同，在火災成長期時實驗與模擬趨勢接近，第一個熱釋放率高點約為 3.5MW。但在熱釋放率因氧氣不足而下降時，原在場景 1 中的氧氣消耗問題在場景 2 中更為嚴重，並使整體可燃物反覆地點燃及熄滅，而與實驗結果趨勢相異。 34.

(50) 第三章數值模擬 . . 由圖 3-9 的氧氣濃度比較圖可發現：以 spruce 與 plywood 材料模擬的氧氣濃度並未如圖 3-4 中降至最低點後回升，而是急降後進入反覆的點燃及熄滅，故殘留的氧氣反而較多。圖 3-8 不同材料設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景 2). 圖 3-9 不同材料設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景 2). . 35.

(51) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 3-10 為 FDS 模擬與實驗在熱電偶樹位置 7、8 與 9 處(參照圖 2-2 配置圖) 之近天花板四點溫度比較圖，完整熱電偶樹溫度圖參見附錄圖 B，編號 1 至 4 代表熱電偶距天花板 10，20，30 及 40cm，左側圖為全尺寸實驗場景 2 的溫度分佈，右側圖為材料設定為 plywood 時模擬所得，圖中虛線表示閃燃發生之時間。模擬結果的閃燃時間較實驗延遲約 400 秒，是由於在約 600 秒(實驗閃燃時) 模擬整體溫度較低，故即使有氧氣殘留而未發生閃燃，使整體進入反覆點燃及熄滅。圖 3-11 為實驗及不同氧氣極限設定模擬下的熱釋放率曲線，exp.為實驗所測得之總熱釋放率，wood cribs 則為以質量損失率推得之移動式可燃物熱釋放率；由場景 1 模擬結果可知：氧氣極限對不同材料有相同之影響，故圖 3-11 中材料僅設定為 plywood 進行模擬；而 0.15 及 0.12 代表氧氣極限設定為 15%(預設值)與 12%。圖 3-11 中當氧氣極限由預設 15%降至 12%時，與場景 1 相似，在火災成長期，其熱釋放率成長速率快，與實驗值更為接近；但較低的氧氣極限未能使場景 2 較易點燃也未能脫離反覆的點燃-熄滅迴圈。圖 3-12 為氧氣濃度比較圖，在降低氧氣極限後(12%)，氧氣濃度並無明顯的變化，顯示出無法點燃的問題並非由於氧氣濃度，而較可能是由於整體溫度較低所致。在通風條件較差的場景 2 中(單開口)，若以實際材料設定模擬則 FDS 僅能在火災成長期的熱釋放率和實驗吻合，而整體熱釋放率趨勢則差距頗大，其模擬所得平均溫度反較實驗值低。場景 2 之模擬結果顯示出 FDS 在通風不良之情形下未能適當地進行預測。. 36.

(52) 第三章數值模擬 . . 圖 3-10 模擬與實驗溫度比較圖(場景 2). . 37.

(53) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 圖 3-11 不同氧氣極限設定下模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景 2). 圖 3-12 不同氧氣極限設定下模擬與實驗氧氣濃度比較圖(場景 2). 38.

(54) 第三章數值模擬 . . 3-3-3 火災場景 3 場景 3 中材料性質依表 3-4 設定。模擬結果如圖 3-13 所示，圖中虛線代表模擬丙烷燃燒器的火源，設定為強度為 1MW 持續時間 1200s。模擬所得之熱釋放率與實驗相差甚多：實驗中，在 250s 後電纜線已引燃，並持續延燒直到實驗終止；而在 FDS 中，一旦燃燒器關閉(1200s)，整體熱釋放率快速下降，顯示火焰隨即熄滅。在模擬中熱釋放率在起始時 (<100s) 有一高點，且引燃速度較實驗高出甚多，此現象為 FDS 燃燒模型與此場景幾何所造成，當燃燒器開啟時，電纜受熱可能產生過多的可燃氣體，導致熱釋放率快速上升並引燃周遭其餘電纜，而使模擬引燃後之熱釋放率與實驗的最大熱釋放率相近。而當燃燒器關閉後，缺少外加熱源，其燃燒放出的熱可能不足以產生足量的可燃氣體，故火焰無法維持而熄滅。. 圖 3-13 FDS 模擬與實驗熱釋放率比較圖(場景 3). . 39.

(55) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 第四節綜合討論在使用 FDS 進行數值模擬的過程中，FDS 由第四版改良為第五版，所以本研究前半期採用的是第四版，後半期採用的是第五版。FDS 模擬與實驗之數據相比，在不同的條件與參數下會產生不同程度的差異，這些是做 FDS 數值模擬所必須特別注意的事項。以下就這些模擬比較結果分節討論如下：. 3-4-1 化學反應模型：相較於 FDS 第四版，FDS 在第五版中特別針對材料由固態轉變為氣態而後燃燒的化學反應進行加強，在相同的場景下，使用 FDS 第五版及第四版其模擬結果可能不同。比較同為場景 1 下，以往使用 FDS 第四版(圖 3-14 中 Rad=35%) 與第五版(圖 3-3 材料 spruce)的模擬結果，可發現第五版模擬結果與實驗熱釋放率趨勢接近，而第四版中整體熱釋放率遠低於實驗，僅與移動式可燃物(wood. cribs)的熱釋放率相當(圖中虛線)，顯示出未能點燃固定式可燃物。由於兩者設定相同，故可推測在 FDS 第五版中的化學反應模型較接近實際情形。圖 3-14 FDS 第四版不同輻射熱比例與實驗熱釋放率比較圖 10. Qo MI Qwc. D2-MI 8. QFDS Rad=35% QFDS Rad=50%. Q(MW). 6. 4. 2. 0. EN 0. 200. F. 400. 600. 800. 1000. 1200. t(s). 3-4-2 燃燒模式：場景 1 及 2 中置於實驗模型中央的移動式可燃物是採取木框架的堆疊方 40.

(56) 第三章數值模擬 . . 式，每根木條 2.4cm×3.6cm×90cm 的尺寸，若欲完全模擬則計算格點需縮小，而計算量將超出電腦負荷。在早期使用 FDS 第四版時，採用兩種燃燒模式，一為完全氣態燃燒模式，另一為整體木塊燃燒模式。完全氣態燃燒模式可直接使得熱釋放率與實驗值相符合，但缺乏木條的吸熱、放熱及其他化學變化過程，而且氧氣消耗太過於迅速，間接造成無法引燃固定式可燃物。整體木塊燃燒模式則可以適當表現木條的吸熱、放熱及其他化學變化過程，減少實驗模型內部的氧氣消耗，達到較容易引燃固定式可燃物之目的。我們將兩種燃燒模式混合使用來模擬固定式可燃物的熱釋放行為，混合比例依熱釋放率分配為 1：1、1：. 2 及 1：3 四種，其結果如圖 3-15。在不同比例之設定下，熱釋放率雖不同但皆與實驗值相差甚多，顯示以混合燃燒模式進行模擬成效不彰。故在往後使用 FDS 第五版的模擬中，皆採用單一氣態燃燒器模擬移動式可燃物，此氣態燃燒器的熱釋放率略等同於全尺寸實驗【1】中以質量損失率推估移動式可燃物(wood cribs) 的熱釋放率，亦即圖 3-14 中的虛線。圖 3-15 FDS 第四版不同燃燒模式比例與實驗熱釋放率比較圖 10. Qo MI Qwc. D2-MI 8. QFDS 1:1 QFDS 1:2 QFDS 1:3. Q(MW). 6. 4. Rad=50% 2. 0. F EN 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. t(s). 3-4-3 輻射熱：圖 3-14 中 Rad=35%及 Rad=50%分別表示模擬中輻射熱比例設為 35%(預設 . 41.

(57) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 值)及 50%，根據蕭【21】及紀【22】的研究結果發現，在油盤及沙發實驗產生黑煙的情況下，熱輻射比例較高，均可達約 50%。其調整目的在增加輻射熱比例，使固定式可燃物表面受到較多的輻射熱增溫，表面溫度提高而較易被引燃。但由圖 3-14 可發現，事實上輻射熱比例的改變影響十分有限，仍未能點燃固定式可燃物。. 3-4-4 材料性質：不同材料在整體熱釋放率趨勢上有影響，以場景 1(圖 3-3)為例，在火災成長期，spruce 及 plywood 兩者達到最高熱釋放率的時間和峰值皆與實驗十分接近。但在熱釋放率曲線的成長速率和總熱量上，則由材料的物理性質決定，其中以材料密度和灰份含量影響最大。當材料的密度較大時，其總熱量較多。灰份則影響火災成長速率以及總熱量，灰份含量多，火災成長速率較低，而總熱量較少。故實際材料性質必須測量準確，模擬才能準確。而在場景 3 的模擬中，則顯示 FDS 對電纜線的燃燒特性無法正確模擬。. 3-4-5 氧氣極限：在 FDS 中，可燃極限由溫度與氧氣共同決定，預設為氧氣濃度 15%、溫度. 1427K。當氧氣極限調降為 12%時(圖 3-7)，整體熱釋放率歷程將提前，包含到達最高熱釋放率以及熄滅的時間，而總熱量也略為增加。但是對於最高熱釋放率的峰值與氧氣的消耗量則無明顯影響。. 3-4-6 通風條件：在場景 1 與 2 中分別為通風較佳的雙開口及較差的單開口，圖 3-3 及圖 3-8 中，即使材料設定與實際材料相同，但在單開口(場景 2)時，模擬的整體熱釋放率趨勢便與實驗值相差甚多，不如雙開口(場景 1)時與實驗值相近。因為 FDS 缺乏氧氣不足之燃燒模式，可能導致 FDS 對通風不良的場景模擬效果不佳。. 42.

(58) 第四章建築物火災成長特性技術參考手冊 . . 第四章建築物火災成長特性技術參考手冊本建築物火災成長特性技術參考手冊(以下簡稱本手冊)乃參考國外相關研究文獻及日本建築學會所出版的「運用函數計算機預測計算火災特性」一書彙編而成。本手冊主要針對區劃火災成長特性提供一有系統之學理及相關經驗公式說明，且於章節之後有相關範例解說，期能讓本手冊之使用者對於區劃火災成長特性有一概略性了解。本手冊所載資料係根據學理及一般情況為研究基礎，無法全面涵蓋建築物之所有具體或突發狀況，故使用者在引用本手冊所載資料時須謹慎小心，以免造成錯誤。本手冊所載資料僅提供參考，對於使用或引用本手冊內容而引致的任何後果或損失，不負法律責任。本手冊所載資料有其限定條件，使用者須依不同之情況選擇適當之資料。使用本手冊之使用者應具備相關專業能力資格，並依具有該專業能力資格者之指導下使用本手冊。又使用本手冊發現有任何疑問，採取行動前，仍應依相關法令規定及聽從具有該專業能力資格者之專業建議。本手冊共分為八章，茲將其內容概述如下：第一章為燃燒基本概念：主要是針對基本燃燒化學反應進行說明，內容包括(1)燃燒氣體之產生量、(2)可燃物之燃燒熱。第二章為紊流擴散火焰高度：主要是針對火場中火焰之高度及相關經驗公式進行說明，內容包括(1)火焰平均高度、(2)連續火焰高度與間歇火焰高度、(3) 火焰竄升至天花板時之擴散長度。第三章為火災火羽流：主要是針對火源上方之上升氣流(火災火羽流)特性進行說明，內容包括(1)虛擬點熱源上之火災火羽流、(2)火源周圍之氣流特性、(3) 非氣流中心軸處之溫度及速度、(4)天花板氣流特性、(5)挑高空間內之火災氣流 . 43.

(59) 建築物火災於防火性能的全尺寸驗證與整合分析(二)數值模擬分析 . 特性、(6)火災火羽流頂端之上升時間。第四章為開口流量分析：主要是針對建築物發生火災時，各開口處之流體(煙或空氣)流動情形進行說明，內容包括(1)垂直方向之壓力差、(2)無溫度差情形下之開口處流率、(3)有溫度差情形下之開口處流率、(4)開口處火羽流之流率。第五章為熱傳遞：主要是針對三種熱傳遞方式進行說明，內容包括(1)熱輻射、(2)熱對流、(3)熱傳導。第六章為區劃空間之全盛期火災：主要是針對建築物內區劃空間之火災於相對穩定燃燒期間(全盛期)的火災特性進行說明，內容包括(1)區劃火災之成長、(2) 區劃火災於全盛期之火災特性、(3)區劃火災溫度。第七章為自開口處噴出之熱氣流特性：主要是針對自建築物內區劃空間之開口處向外流出之高溫流體特性進行說明，內容包括(1)自開口處噴出之熱氣流軌跡、(2)開口處外部附近之溫度。第八章為煙之流動與控制：主要是針對建築物發生火災時，火災所伴隨之煙層流動特性及其煙層高度控制方式進行說明，內容包括(1)煙層之下降、(2)煙層下降之控制、(3)煙囪效應、(4)侷限空間之排煙。本手冊已召開過專家會議，延請國內相關領域專家學者提供寶貴意見。與會專家學者建議，宜針對本手冊之使用相關注意事項進行說明、於各章前增列相關符號說明以利使用者查詢、專有名詞附註英文，並統一技術參考手冊之排版格式。此些專家學者之寶貴建議，將於手冊出版前進行相關修正。. 44.