建築物防火性能設計場模擬輻射評估運用 之研究

中 華 大 學

碩 士 論 文

建築物防火性能設計場模擬輻射評估運用 之研究

Research On The Radiation Heat Estimation By The Field Simulation Of Building Fire-Prevention Performance-Based Design

系 所 別：建築與都市計畫學系 學號姓名：M09705007 吳思漢 指導教授：江崇誠 副教授

中華民國 100 年 7 月

i

摘 要

近年來由於都市化之發展及建築技術的提昇，建築物逐漸邁向高層化、大 規模化及多功能化，通常在進行大型建築設計時，為了提高設計上的彈性與自 由，國內於民國九十三年開始實施性能式法規新制藉以輔助條列式法規，建築 設計者可藉由性能式設計，使建築物的彈性與自由更趨完善。

而國內在進行性能式建築設計時，對於火災延燒的評估，一般係以防止火 災延燒性能驗證技術手冊進行理論公式的計算驗證為主，以其計算結果評估火 災是否造成延燒，進而導致火勢擴大引發全面燃燒，危害人民生命之安全。

另外，國內研究報告常用的火災模擬軟體，FDS(Fire Dynamics Simulator) 火災模擬軟體，此軟體亦可針對延燒理論公式中的火焰高度、熱輻射進行模擬，

因此，本研究將透過 FDS 模擬與理論公式計算進行探討。

接著將延燒理論公式與 FDS 模擬軟體針對延燒相關因子進行探討，針對差 異因子進行模擬條件之設定，並將理論公式計算結果與 FDS 模擬結果進行差異 性比較分析。

另外，本研究再藉由火災燃燒實驗文獻之燃燒情境套入 FDS 以及延燒理論 公式，進行三者之比較分析，以確立差異因子之影響性。

由分析結果得知，如未調整熱輻射分率與火源成長模式此兩差異因子，對

於 FDS 模擬火焰高度並不影響，但在輻射延燒距離上會呈現偏低的現象，但藉

由調整差異因子，FDS 模擬輻射延燒距離上，可使其結果與理論公式計算結果 相趨近，可知差異因子設定的改變會影響 FDS 模擬結果的呈現。

因此，本研究將提出應用 FDS 電腦模擬運用於防火延燒適用性上之具體建 議，希望能做為日後評估運用上之參考依據。

關鍵字：火災延燒、性能設計、FDS 火災模擬軟體

ii

Abstract

With the continued break troughs of construction technology and the increase of high-rising, compound buildings with large scale space, the existing regulations have been not be able to meet the requirements of modern buildings, and even the worse, the norm of regulations could limit the development of building. Therefore, many countries in the world have developing functional regulations to overcome the obstacles made by existing regulations for the development of modern construction technology. In Taiwan, the authorities have implemented functional regulations to respond since 1984.

The parts of fire separation of construction technology rules are even better to break through limits and expand the scope of fire separation by the functional regulations.

This research aims to break through the limits of regulation in expanding the scope of fire separation to satisfy the demand for greater space from large shopping malls and shopping centers by designing the sense of space that the lofty part of building wants to express and increasing freedom of design.

Secondly, the assessment of practical cases, Fire burning by a variety of experimental literature measured data(Such as temperature, flame height, heat radiation) , With the FDS computer simulation software and fire spread between theoretical analysis of the formula, Factor of the difference, Terms of the presence of simulated radiation , Explore the theoretical formula by comparing the difference with the simulation software Factor to simulate the results of calculation of factors, Parameters of the simulation results and adjust the fire burning again with a

comparative analysis of experiments, From the analysis results show that Fixed fraction of thermal radiation from lower in the theory of the radiation formula, Then consider the heat release rate curve, Heat release rate will be fixed to the maximum ,

iii

Discussion to the limit of heat radiation, The simulation results with the theoretical formula of heat radiation from the relatively close.

Keywords: prevention of fire spread, performance design, FDS

iv

誌 謝

伴隨著師長與親友的期許，本論文順利通過碩士論文口試並付梓，

願將這份喜悅呈獻 恩師江副教授崇誠 Vincent，並致上最高的謝意。

承蒙恩師一貫治學嚴謹、悉心指導之下，在漫漫研究路程上一路探索 未敢稍加懈怠。恩師的諄諄教誨與鉅細靡遺的帶領之下，開啟了浩瀚 學海的大門，強調學理與實務並重之觀點，遂有此論文研究主題之產 生。碩士學位僅為階段性之歷程，未來仍將秉持嚴謹態度，在學術、

專業與社會服務上持續努力。

感謝 碩士論文之完成，承蒙林教授慶元、王教授鵬智及恩師共同組 成的論文口試審定委員會，一年多來剴切指正並賜教諸多寶貴 意見，使本研究學理與實務更臻堅實與完備。

感謝 系上陳教授榮村、陳教授天佑、謝教授偉勳、解教授鴻年、胡 教授志平、胡教授太山、閻教授克勤、黃教授萬 翔、張璠教授、

林明教授、郭教授永傑、邱教授英浩、王教授維民等諸位先生 的悉心傳授與學理養成。

感謝 研究室同窗戰友宥銓、智凱日以繼夜一同打拼及學長欣弘、際 翔、學弟志良、治學等同學們在給予研究過程協助，庶務上及 精神上的支援，還有曾聖大學長，在論文完成的最後給予莫大 的幫助，在此一併致謝。

感謝 碩士班同窗文得兄、吳喜兄、世昌兄、仁惠兄、麗心姐、鈞詠、

少甫、振瑜、建宏、柏仲、佳昀、威鈞、邑庭、可凡、宥甄等 同學在兩年中的相互激勵。

感謝 女友琳嶷全力的支持與鼓勵，與生活上的照顧，讓我學會了更 多事情，謝謝你。

感謝 爸、媽等至親與外婆，在過程中的照顧、關心與支持。

謹以碩士論文獻給含辛茹苦的父母雙親，感謝家人全力的關懷與 支持，激勵與安慰。最後，再次銘謝於修業其間所有曾惠賜協助的師 長、前輩、至親及益友，願與各位共享榮譽與喜悅。

思漢 ^謹誌於

新竹、香山、中華大學建築及都市計畫研究所

2011.07

v

目 錄

摘 要

Abstract

謝 誌

目 錄

表目錄

圖目錄

第一章

緒論

第三節 研究方法...4

第四節 研究流程...5

第二章

文獻回顧與探討

2-1-2 火災熱傳遞行為...7

2-1-3 火災成長過程...9

第二節 火災類型與延燒形態...10

2-2-1 火災類型...10

2-2-2 延燒的形態...11

第三節 火源成長模式…...12

2-3-1 穩態火源...12

2-3-2 非穩態火源...13

vi

第四節 延燒理論公式之探討...16

2-4-1 火焰性質...16

2-4-2 火焰高度計算...17

2-4-3 輻射與火焰溫度關係...19

2-4-4 輻射受熱與距離之關係...20

第五節 FDS 火災模擬軟體探討...24

2-5-1 相關理論公式...24

2-5-2 格點參數設定探討...29

2-5-3 架構與特性...31

2-5-4 操作流程...32

第六節 相關研究之整理與探討...33

2-6-1 火災燃燒實驗相關研究之探討...33

2-6-2 FDS 場模擬相關研究之探討...36

2-6-3 小結...37

第三章 延燒

理論公式與FDS場模擬軟體分析比較

第三節 延燒理論公式計算之結果...45

3-3-1 火焰高度計算...45

3-3-2 熱輻射計算...46

第四節 FDS電腦模擬結果...48

3-4-1 網格大小設定...48

3-4-2 火源條件設定...48

3-4-3 偵測點設定...49

3-4-4 FDS模擬情境之結果...50

vii

第五節 FDS模擬結果與理論公式計算結果比較分析...59

3-5-1 火焰高度比較...59

3-5-1 熱輻射比較...60

第四章

火災燃燒實驗與FDS場模擬和理論公式之比較

4-1-2 FDS 模擬情境之設定...67

第二節 火災燃燒實驗與 FDS 場模擬和理論公式之分析比較...69

4-2-1 溫度之比較...69

4-2-2 火焰高度之比較...72

4-2-3 熱輻射之比較...73

第五章

結論與建議

參考文獻...82

viii

表目錄

表 2-1 火災類型分類表...10

表 2-2 不同物質之最大熱釋放率與所需時間...12

表 2-3 火源成長係數表.....13

表 2-4 火源條件與實驗常數 r、n 之關係表...18

表 2-5 國內火災延燒相關研究整理...32

表 2-6 國內 FDS 火災相關研究整理...35

表 3-1 延燒相關參數...36

表 3-2 條件一設定參數表...38

表 3-3 條件二設定參數表...39

表 3-4 條件三設定參數表...40

表 3-5 條件四設定參數表...42

表 3-6 模擬情境之火焰高度計算...43

表 3-7 模擬情境熱輻射計算...44

表 3-8 熱輻射量與距離之關係表...45

表 3-9 FDS 火源燃燒曲線設定參數表...46

表 3-10 條件一與條件二熱輻射比較...58

表 3-11 條件三與條件四熱輻射比較...59

表 3-12 條件一與條件三熱輻射比較...60

表 3-13 條件二與條件四熱輻射比較...61

表 3-14 距離火源 0.2m 模擬之熱輻射量...62

表 3-14 熱輻射影響距離...62

表 4-1 FDS 電腦模擬火源燃燒曲線輸入表...67

表 4-2 條件一情境設定項目...69

表 4-3 條件二情境設定項目...70

ix

表 4-4 條件三情境設定項目...70

表 4-5 條件四情境設定項目...71

表 4-6 模擬結果與火源燃燒實驗文獻火焰中心軸溫度比較...72

表 4-7 模擬結果與火源燃燒實驗文獻高度 3m 溫度比較...72

表 4-8 模擬結果與火源燃燒實驗文獻機車後方熱輻射比較...76

表 4-9 燃燒面高度模擬機車後方熱輻射比較...77

x

圖目錄

圖 1-1 研究流程圖...5

圖 2-1 燃燒四面體...6

圖 2-2 輻射熱與溫度關係圖...8

圖 2-3 火災成長歷程示意圖...9

圖 2-4 燃料支配型火災示意圖...10

圖 2-5 供氣支配型火災示意圖...10

圖 2-6 穩態火源示意圖...12

圖 2-7 非穩態火源示意圖...13

圖 2-8 火源成長曲線圖…...14

圖 2-9 火源成長模式...15

圖 2-10火焰上方氣流示意圖...17

圖 2-11 火源對周邊可燃物熱輻射之示意圖...21

圖 2-12 圓柱型火源面與對象物相對關係示意圖...21

圖 2-13 火源面對於對象物之輻射熱影響計算示意圖...23

圖 2-14 氣體混和關係圖...26

圖 2-15 氧氣分率與溫度關係圖...27

圖 2-16 FDS 與 Smoke view 之組織架構與操作流程圖...32

圖 3-1 沙發燃燒曲線圖...41

圖 3-2 固定熱釋放率曲線圖...42

圖 3-3 偵測點鋪設示意圖...48

圖 3-4 情境一火焰高度動態模擬圖...49

圖 3-5 情境一輻射距離曲線圖...50

圖 3-6 情境二火焰高度動態模擬圖...51

圖 3-7 情境二輻射距離曲線圖...52

xi

圖 3-8 熱輻射量曲線圖...53

圖 3-9 情境三火焰高度動態模擬圖...54

圖 3-10 情境三輻射距離曲線圖...55

圖 3-11 情境四火焰高度動態模擬圖...56

圖 3-12 情境四輻射距離曲線圖...57

圖 3-13 四情境最大火焰高度動態模擬圖...58

圖 3-14 情境一與情境二 370 秒熱輻射量比較...59

圖 3-15 情境一與情境二最大熱輻射量比較...59

圖 3-16 情境三與情境四 370 秒熱輻射量比較...60

圖 3-17 情境三與情境四最大熱輻射量比較圖...60

圖 3-18 情境一與情境三 370 秒熱輻射量比較...61

圖 3-19 情境一與情境三最大熱輻射量比較圖...61

圖 3-20 情境二與情境四 370 秒熱輻射量比較...62

圖 3-21 情境二與情境四最大熱輻射量比較...62

圖 3-22 FDS 模擬 370 熱輻射與延燒理論公式比較圖...63

圖 3-23 延燒理論公式與 FDS 熱輻射比較曲線圖...63

圖 3-24 熱輻射量曲線圖...64

圖 4-1 機車正面測點配置圖...65

圖 4-2 機車側面測點配置圖...65

圖 4-3 火源(機車)燃燒曲線圖...66

圖 4-4 模擬機車燃燒測點鋪設圖...66

圖 4-5 火焰中心軸高度 1m 溫度比較...73

圖 4-6 火焰中心軸高度 2m 溫度比較...73

圖 4-7 火焰中心軸高度 3m 溫度比較...73

圖 4-8 燃燒實驗文獻溫度分佈圖...74

xii

圖 4-9 條件一溫度分佈圖...74

圖 4-10 條件二溫度分佈圖...74

圖 4-11 條件三溫度分佈圖...74

圖 4-12 條件四溫度分佈圖...74

圖 4-13 燃燒面高度 0.2m 溫度分佈圖...74

圖 4-14火焰高度動態模擬圖...75

圖 4-15 燃燒面高度 0.8m 火焰高度動態模擬圖...76

圖 4-16 燃燒面高度 0.2m 火焰高度動態模擬圖...76

圖 4-17模擬結果與火源燃燒機車後方熱輻射比較...77

1

第一章 緒論

1-1 研究動機與背景

長久以來國內建築物依據「建築技術規則」所訂定之標準進行安全審查，

規則中對於建築設計及防火避難安全上的規範均詳細條列說明，此一審查方式 優點在於建築設計時僅需符合建築技術規則中所訂定之規定條文，即可通過審

查，以達到建築物使用上最基本安全之要求，這類審查機制屬於規格式法規。

隨著國內土地的有限利用及建築技術的提昇，建築物逐漸邁向高層化、大 規模化及多功能化，通常在進行這類特殊大型建築空間設計時，建築物常常為 了合乎法規而使得設計發展的適用性上有困難，因此，國內已於民國九十三年 開始實施性能式法規新制藉以輔助條列式法規之不足，建築設計者可藉由性能 式設計，提高設計上的彈性與自由。

防火避難性能設計，係一種輔助建築設計者使用建築防火避難性能法規而 發展出來的；而防火避難性能設計之驗證方式又分為避難安全、火災延燒及結 構耐火，一般進行避難安全之驗證方式為內政部建研所採行之避難安全性能驗 證計算進行評估，而在進行火災延燒之驗證方式則是進行防止火災延燒安全性 能驗證計算進行評估，以其計算結果評估火災是否造成延燒，導致火勢擴大引 發全面燃燒，而危害人民生命之安全；另外，FDS 場模擬係為一般國內外進行 火災模擬之常用軟體，主要係因為 FDS 電腦數值計算模擬可進一步推估室內 的燃燒行為並得到火場內詳細數據（如：CO、CO2 濃度、溫度等）的特性。

一般國內研究報告中應用 FDS 場模擬進行火災模擬評估時，常被用在煙 控模擬與煙層下降的評估，探討火場內煙層濃度及煙層下降時間等，也有些是 以火場重建來驗證 FDS 模擬軟體的相關研究，對於火災延燒模擬評估之相關研 究甚少，但是，FDS 模擬軟體能藉由延燒相關因子進行設定並針對延燒理論公 式所計算之火焰高度和熱輻射進行模擬，且能更進一步的模擬火場內的燃燒行 為，因此，FDS 電腦模擬軟體應用於火災延燒之適用性實有研究之必要。

2

1-2 研究目的

本研究目的如以下四點：

1. 透過國內外相關文獻回顧，包含火災延燒理論公式、FDS模擬軟體及火災

燃燒實驗的探討，做為本研究防止火災延燒評估方法比較上之參考依據。

2. 接著將延燒理論公式與FDS模擬軟體針對延燒因子進行探討比較，並針對

差異因子進行模擬條件之設定，並將理論公式計算結果與FDS模擬結果進行差異 性比較分析，以做為本研究探討差異因子影響性之參考依據，作為本研究之預 備實驗。

3. 本研究再藉由火災燃燒實驗文獻之火源燃燒情境套入FDS以及延燒理論公

式，進行三者之比較分析，以確立差異因子之影響性。

4. 根據比較分析差異因子之探討結果，提出FDS場模擬評估防止火災延燒適

用性上之具體建議，以期作為日後建築物防火性能設計時，FDS應用於防止火 災延燒評估上之參考依據。

3

1-3 研究方法

本研究方法係以文獻回顧、數值計算法及電腦數值模擬等方法為主，茲分述如 下：

1. 文獻回顧法

藉由國內外相關於火災延燒相關研究文獻資料之蒐集，彙整防止火災延燒 評估之模式，作為後續條件設定及比較分析上之參考依據。

2. 數值計算法

許多先進國家都已研擬發展出完整之性能式法規，並將性能式驗證方法以 工程觀念及數學經驗公式表示。本研究主要係以火災延燒理論公式進行火焰高 度與熱輻射之計算。

3. 電腦數值模擬

以FDS（Fire Dynamics Simulator）場模式電腦模擬軟體為主，建置模擬之 空間數值資料，透過電腦軟體模擬火災時之延燒相關數據，如：火焰高度、熱 輻射等，並與火災延燒理論公式之計算結果，進行差異比較分析。

4

1-4 研究流程

本研究為「建築物防火性能設計場模擬輻射評估運用之研究」，研究流程 如下圖 1-1 所示：

圖 1-1 研究流程圖 相關文獻蒐集與探討與比較

延燒理論公式計算結果與 FDS

軟體模擬結果之比較分析

延燒相關因子探討與分析

FDS 電腦模擬軟體 火災延燒理論公式 建築物防火性能設計場模擬

輻射評估運用之研究

研究動機與目的

研究方法的設定

提出兩種模式評估後應用於 實務上之具體建議 分析結果與火源燃燒實驗文

獻探討比較

結論與建議 火災延燒理論公式

美國NIST FDS動態火場氣 流體流動計算軟體

火災燃燒實驗文獻

火災延燒理論公式 美國NIST FDS動態火場氣

流體流動計算軟體 火源燃燒實驗文獻

5

第二章 文獻回顧與探討

2-1 建築物火災與成長過程

2-1-1 燃燒之要素

在建築物火災中，物質要發生燃燒，需要具備一定的條件。也就是可燃物、

氧氣(助燃物)、熱能及連鎖反應，此稱為燃燒四面體。在燃燒的過程中，四種 條件缺一不可。

(一) 可燃物

所謂可燃物，係指能與氧化合進行放熱之物質，而在固體、液體、氣體三 者之中，由於氣體熱傳導度最小，液體次之，固體熱傳導度最大，所以以氣體 較容易燃燒。

(二) 氧(助燃物)

氧是燃燒要素中不可缺乏的，且其濃度必須在一定的比率之上。通常空氣 中氧的含量約為 21%，以重量計為 23%，若濃度低於 15%，則燃燒難以持續。

圖 2-1 燃燒四面體 (三) 熱能

可燃物與氧要起化合作用，需要達到一定溫度之熱能，一般稱為點火源，

熱能之來源，大部分以火焰直接加熱最多，其次還有電熱能、機械能等。

6

(四) 連鎖反應

是指某現象之結果助長了此燃燒現象，以致此燃燒現象更為擴大，舉例來 說：煤塊如受熱可產生可燃性氣體，與氧化合而燃燒，此燃燒行為產生的熱又 可使煤塊繼續產生可燃性氣體而加劇燃燒。像這種「熱→煤塊→可燃氣體→燃 燒熱→煤塊....」一連串反覆的過程，即稱為「連鎖反應」，在氧氣足夠的情況下，

此燃燒現象會一直持續進行到煤塊燒完為止。

2-1-2 火災熱傳遞行為

在建築物火災中，熱傳是主要項目，具有起火、成長、擴散、衰退及熄滅 等作用。而熱傳遞也反應出大量的物理證據可供確認起火處及起火原因。因此 對於熱及溫度之區別是很重要的。溫度是用來測量物體間熱流之關係。而熱則 是以能量的形式，用來維持或改變物質的溫度。當熱能傳至某物體，則物體溫 度會升高。當熱能傳遞出去，則物體溫度下降。熱量在具有溫差的物體間傳遞，

高溫傳向低溫。在物理學中採用絕對溫度開氏(K)溫標(標準國際單位)，由水的 三相點(273.16K)來確定。溫差愈大，則每單位時間傳遞的能量愈多，熱傳遞效 率愈大。而熱傳遞以三種方式來表示：傳導、對流及輻射。三者均在火災中扮 演相當重要的角色。

1.熱傳導 Conduction

熱傳導是發生在固體之間的熱移動，當物體某部分被加熱時，能量即依據 物質之溫差及物理性質，由高溫區傳至低溫區。物理性質為熱傳導系數(k)，密 度(p)，熱容量(c)。物質具有較高之熱容量(c)，則需要較多之能量來提高溫度，

一般而言，熱傳導可視為兩個具有固定溫度之物體兩點之間之熱移動。其他部 分則將升高至某定溫，但仍低於熱源溫度。此時稱之為穩態燃燒，熱傳導系數 將支配熱傳效應。而在火災成長階段，溫度持續變化，導致熱傳效率持續改變。

在此階段，熱傳導、熱對流及熱輻射均扮演重要角色。三者合起來一般稱之為 熱慣性，並以 k、c、p 表示。

7

2.熱對流 Convection

熱對流係指熱能藉由高溫之液體或氣體等流體將熱能從熱源向四周環境傳 遞。當熱氣流經過物體表面時，熱能藉由氣體對流傳遞至固體。其熱能傳遞效 率視溫差之變化、熱氣流接觸之表面積及流速而定。熱氣流速愈快，對流傳熱 的效率愈大。對流之熱傳並影響火焰是否能接觸。在火災的初期階段，在起火 居室內火源熱氣流傳遞至上方處所甚至整棟建築物，對流均扮演重要角色。當 居室溫度上升至閃燃階段，對流仍然持續，但熱輻射所佔之熱傳遞比例迅速增 加，並成為主導熱傳的重要機制。

3.熱輻射 Radiation

熱輻射是指熱能藉由電磁波從熱源表面傳遞物體表面，而不需中間介質。

輻射能僅藉由光線傳遞，將會因介質的吸收而減弱或阻擋。介質並不一定會阻 擋所有的輻射熱。輻射熱傳遞量與絕對溫度四次方成正比。在高溫條件下，些 許的溫差就會導致大量輻射熱的傳遞，溫差增加一倍，則輻射熱之傳遞增加 16 倍。如圖 2-2 所示。

圖 2-2 輻射熱與溫度關係圖【2】

距離也是影響輻射熱傳遞的重要因素。距離加大，則物體單位面積所受之 輻射熱同時受到輻射體及距離之影響。

8

2-1-3 火災成長過程

火災的發展隨著時間分為起火期、成長期、全盛期、衰退期等四個階段，

如圖 2-3 所示。由於可燃物特性不同，起火期發生的時間也不同；而火災的成 長期會隨著持續時間的延長，如無外界條件干涉，則會有越多的可燃物參與燃 燒，火災的溫度、熱釋放率也會不斷增加，當火災發展至一定程度，空間內條 件合適，甚至會出現閃燃現象，火災進入全盛期，隨後一段時間內的火災熱釋 放率則保持穩定，其最大熱釋放率主要取決於燃料的數量與性質、空間條件等，

火災經過一段時間的持續發展後，隨著可燃物數量的減少，火災最終進入衰退 期，當燃料全部耗盡後火災隨之熄滅。

圖2-3 火災成長歷程示意圖【3】

全面性燃燒

（閃燃）

成長期

火災溫度 火源著火 起火 火焰延燒 發生閃燃 最高溫度 嚴重燒損 燒失熄火

起火期 全盛期 衰退期

局部燃燒 燃燒面積擴大

9

2-2 火災類型與延燒形態

2-2-1 火災類型

當居室發生火災時，會受到可燃物配置、開口供氣等因素影響，使得火災 危害的程度與方式不同，居室火災中燃燒速率主要受開口大小控制屬於通風控 制型燃燒，若空氣供應充足由可燃物表面積控制則屬於燃料控制型【5】，根據 文獻針對可燃物數量的多寡，將火災類型予以分類，如表 2-1。

表 2-1 火災類型分類表【6】

特性 可燃物 燃燒型態 代表性場所

全面火災

時間長而發 熱速度慢

區 劃 內可燃物 分佈均勻。

供氣支配型 火災

賣場專櫃、展示品集 中的店舖空間、居室

局部火災

時間短而發 熱速度快

可 燃 物稀少，

空 間 大且分佈 獨立。

燃料支配型 火災

捷運車站、體育館、

大型挑高空間等

當一個區劃空間較大且可燃物配置分散且稀少時，在發生火災時，由於區 劃內供氣充足的關係，燃燒物火勢會在某區域突然增大，但是也因為可燃物配 置較為零散的關係，所以較不易引燃其他可燃物造成延燒，而只會在區劃內的 局部產生火災，而區劃內的溫度分佈也因此不一致；或是可燃物的體積與空間 體積相對較小者，就算區劃內發生火災，也只會在局部發生如圖 2-4，此類型 的火災稱之為局部火災。

圖2-4 燃料支配型火災示意圖【6】 圖2-5供氣支配型火災示意圖【6】

10

相反的，當可燃物的數量多且配置分佈較集中時，各個可燃物之間引燃較 為容易，火災會造成全面性的燃燒於整個區劃空間。由於可燃物的體積與空間 體積較大，當火災發生時，建築物的構造限制了火焰的釋熱量，所以使區劃空 間內溫度較為一致，此時的火災受到開口部供氣量的影響，區劃內火災溫度分 佈差異不大如圖2-5，這類型的火災稱之為全面火災。

2-2-2 延燒的形態

區劃空間內可燃物之間的延燒，不外乎接焰、輻射與飛火等三種原因【5】，

而接焰與輻射二者通常是交互作用，同時發展進行的，尤其是近距離之延燒，

火焰直接接觸造成加熱及輻射熱，幾乎是同時發生的。距離稍大者，則是輻射 熱先行加熱。木質材料等可燃性材料，當溫度升到一定的溫度之後，一旦與火 焰前端接觸時，瞬間造成引燃。若是距離較遠者，則受到輻射加熱或未受到輻 射加熱之木質材料，皆可能接觸飛散之火星而引發火災。但是，當可燃物承受 大量的輻射熱時，由於可燃物溫度不斷增加，也可能會因為沒有火焰接觸的情 況下自行起火引燃。

飛火的情況，多發生在整棟木構造建築物的延燒或是對流較強的地區，如 建築物內部之天井、電扶梯等垂直通道或是挑高空間，而國內建築物多屬防火 建築物，如磚造、耐火鋼骨造、鋼骨鋼筋混凝土造、鋼筋混凝土造等，飛火發 生可能性極低，由於飛火危害的距離這部分相關研究較少，故本研究僅針對建 築物空間內火災延燒型態中的接焰延燒與輻射引燃進行計算評估。

11

2-3 火源成長模式

火源的設計對於模擬建築物火災是否會造成接焰或輻射延燒來說佔有極大 部份的影響，熱釋放率影響著火源的大小，而熱釋放率亦會影響火源的成長速 率，而設計之基礎以兩種火源條件設定分別為 1.穩態火源（Steady fire）、2.非 穩態火源（ Unsteady fire），以下將針對穩態火源與非穩態火源作基本之說明。

2-3-1 穩態火源

在自然狀態下火源為非穩態火源，但如果將其理想化成穩態的火源比較容 易描述及研究。一個穩態的火源在熱釋放率的定義上是為一定值，在應用上，

通常採用穩態的火源做為明確且保守的設計。Morgan（1979）建議將商業、住 宅區每單位樓層面積之熱釋放率視為 500kw/m²（44Btu/s-ft²），而辦公室建築 每單位面積之熱釋放率視為 225kw/m²（20Btu/s-ft²），在特殊大空間建築中，

則將擁有可燃物之大空間建築每單位面積之熱釋放率視為 500kw/m²

（44Btu/s-ft²），而可燃物有限之大空間建築之每單位面積之熱釋放率則視為 225kw/m²（20Btu/s-ft²）。

圖 2-6 穩態火源示意圖【7】

12

2-3-2 非穩態火源

火源之設計需考慮隨時間變化的熱釋放率，在火災的初期階段，火源可以 充分地使氣體流動，此時其熱釋放率由燃燒體之型式數量及外型輪廓來決定，

由國外文獻所收集可得不同物質之最大熱釋放率與所需時間如表2-2所示。

圖2-7 非穩態火源示意圖【7】

表2-2 不同物質之最大熱釋放率與所需時間【3】

火源燃燒種類 火源等級 最大熱釋放率（kw） 所需時間（s）

紙類 慢 18 400

電器類 中 290 640

棉織品 中 117 240

木材類 大 650 70

通常火源成長初期燃燒的時熱釋放率並不高，但隨著時間的增加，熱釋放 率值不斷增大，熱釋放率隨著曲線而上升，此階段稱為火災成長期，藉由文獻 回顧中提到描述火災成長階段的熱釋放率曲線公式，可藉此公式了解熱釋放率 與時間的關係，以作為後續模擬時間的依據，下面將對熱釋放率曲線公式做一 探討。

13

一般來說，物質的火災成長過程，其熱釋放率會與時間的平方成正比，如 圖 2-6 所示，可將此狀況表示成理想化的拋物線方程式，而其中火源成長係數 可依據表 2-3 中不同使用分區而訂定，在不同火源成長係數間的曲線關係如圖 2-7 所示。

圖2-8 火源成長曲線圖【3】

表 2-3 火源成長係數表【3】

項目 火源成長係數 成長時間

t-squared fires

σ

σ

緩慢（slow） 0.002931 0.002788 600 普通（medium） 0.01127 0.01111 300 快速（fast） 0.04689 0.04444 150 極快速（ultra fast） 0.1878 0.1778 75

( t t

)

Q

=

−

Q

• ：火源的熱釋放率（kW, Btu/s）

σ

14

t ：有效的著火時間（sec）0 ，t 之前的時間為火災潛伏期 ₀

但一般模擬火災中，不考慮火災潛伏期，所以會令t₀ =0，所以上面的式 子（2.1）可以簡化為下列方程式（2.2）。

t

Q

=

15

2-4 延燒理論公式之探討

2-4-1 火焰性質

一般而言，支配可燃物燃燒之重要因素有：可燃性材料之熱釋放率(heat release rate)、未燃燒時可燃性材料之形狀特性(如長方形、圓形或正方形)、火 源代表長度(如圓形直徑長度、正方形之邊長、長方形的長邊或短邊)、可燃性 材料燃燒時所處之空間形態(如靠著一面牆壁、在房間角落或自由空間)及外在 環境因素(如環境溫度與大氣壓力)等等。

由文獻【1】可知，發焰燃燒大致上分為兩大類。第一類為混和燃燒(Premixed Burning)。第二類為擴散燃燒(Diffusive Burning)。所謂混合燃燒係指可燃性材 料預先與空氣混和之燃燒。混和燃燒火焰傳遞速度極快，溫度亦高，如一般爆 炸反應即屬於混和燃燒。

而擴散燃燒係指可燃物(木材、紙等天然高分子材料或者聚乙烯、氯化乙烯 等合成高分子材料)，物體加熱之後先行熱分解成多種可燃性氣體(例如：一氧 化碳、氫、甲烷、碳化氫、醛類及乙醇等)，熱分解所生成之可燃性氣體與周圍 的空氣一邊進行擴散混和，一邊進行燃燒反應。但擴散燃燒所形成之火焰，並 非藉由分子擴散型態進行燃燒，而是以紊流渦流形態進行燃燒，所以實際上火 災時對火焰行為上的討論，皆為紊流擴散火焰【8】。而其火源上所形成的氣流 可分成三個領域如圖 2-8：

1. 連續火焰域：接近火源面，火焰常時存在的領域。

2. 間歇火焰域：在連續火焰域上部，火焰的存在與消滅重複的領域。

3. 浮力煙領域：在間歇火焰域上方，火焰不存在的上升熱氣流領域。

16

圖 2-10 火焰上方氣流示意圖【9】

2-4-2 火焰高度計算

判斷建築物防火延燒性能設計之區劃空間是否會因火害而遭到破壞，而使得火 源上層空間及周圍空間產生延燒，皆依據火焰高度及火焰噴出長度等相關資料 判斷區劃空間是否會受到接焰產生延燒，造成火勢的擴大。而火焰高度與火源 的有效直徑有關。關於火焰高度的定義分為以下幾種：

1. 連續火焰高度（Soild Flame Height）：長時間穩定存在的火焰之連續火焰域 的高度，在計算熱輻射量時通常可以此作為計算依據。

2. 間歇火焰高度（最高火焰高度）（Intermittent flame height）：火焰會因為周期 性的上升氣流造成火焰上端間歇性存在的間歇火焰域，取其間歇性存在的最高 高度及為間歇火焰高度，通常以此判斷對象物是否會因接焰產成延燒。

3. 平均火焰高度：指的是時段內脈動火焰高度的平均值。

火焰高度受到火源大小、形狀、熱釋放率及空間條件等因素影響。當火源 形狀為正方形或圓形火源時，其火焰高度之無因次熱釋放率公式如下所示：

...(2.3)

...(2.4) D

Q r L_f = ⋅ ^*n⋅

2 5 5

*

1116 D Q D

g T C Q Q

o

p ⋅

⋅ =

⋅

⋅

= ⋅ ρ∞

17

L_f：火焰高度（m） r.n：實驗常數(表2-4) Q ：熱釋放率（m） D ：火源代表長度（m）

Q^*：火源熱釋放率無次元數

T^ｏ：室溫（K） P^∞：空氣密度（kg/m2）

g：重力加速度（m/sec） Cｐ：比熱（J/kg.K）

在標準的大氣壓下

ρ

⋅ C

⋅ T

⋅ g

而當火源為長方形時，則分別定義火源長邊為DL，短邊為DS，則火焰高度 之無因次熱釋放率公式可表示【8】。

...(2.5)

...(2.6)

*mod

Q =火源熱釋放率無次元數

D = 火源短邊(m) S

D

若火源長邊與短邊之比值大於4 ( ) 時，則可視為線火源，則火源 高度之熱釋放率無次元數可表示為下方公式

...(2.7)

...(2.8)

由於燃燒火焰的高度受到起火物的平面形狀而改變。依照燃燒物的性狀將 火源形狀分成自由空間、牆壁邊及角落處等三種，火源依照其燃燒物形狀而發 熱條件會有所差異，依據以往研究之實驗數據中得知其關係式如表2-4所示。

S n

f r Q D

L = ⋅ ^* ⋅

L o S

p D D

Q D

g T C Q Q

⋅

⋅

⋅ =

⋅

⋅

= ⋅

∞ 2

5 3

*

1116 mod ρ

4 / _S ≥

L D

D

D Q r L_f = ⋅ _L^*n⋅

2 5 3

*

1116 D Q D

g T C

Q Q ^L

o p L L

⋅

⋅ =

⋅

⋅

= ⋅ ρ∞

18 表2-4 火源條件與實驗常數r、n之關係表【5】

火源條件 發熱條件

n r

間歇火焰 連續火焰

自由空間 面火源 線火源

0.3 < Q^* < 1.0 1.0 < Q^*

2/3 2/5 2/3

3.5 3.5 4.5

1.8 1.8 2.8 牆壁邊

正方形 線火源

自由空間之圓 形，與正方形 相同

2/3 6.0

角落處 Q^*=0.5~4.0 2/3 4.3

2-4-3 輻射與火焰溫度關係

一般物質燃燒，若能充分獲得氧氣的供應，使燃料與氣體充分混合而完全 燃燒，其火焰之溫 度依據計算可達2000℃以上的高溫，而實際上一般居室(房間) 火 災 到 達 全 盛 期 時 ， 其 火 災 室 之 平 均 溫 度 較 低 ， 只 能 將 溫 度 維 持 在 800^oC~1200^oC左右【12】。

另外，由公式計算可知，熱輻射分率(火焰放射率)與其計算所得知熱輻射量呈 正比之影響，一般來說，熱輻射分率會因為材質的不同有很大的關係，而實際 上，依照不同的固體燃料類型大約在0.2~0.6之間【11】，熱輻射分率較高的大多 為可燃性氣體和油類液體

依照史蒂芬─波茲曼定律中，計算熱輻射公式如下：

………..………(2.9) q ＝火源面產生之平均輻射熱（KW/ms ²）

τ＝大氣穿透率，預設為１

(

)

s

T T

q = τ × ε × σ × −

19

ε＝火焰放射率，預設為１

σ＝

^{5 . 67} × ¹⁰

2-4-4 輻射受熱與距離之關係

輻射熱係與火焰輻射面積之大小，時間長短而產生傳熱距離之差異，火焰 輻射面積愈大，火災時間愈長，輻射熱傳達之距離愈遠。輻射量的計算方式可 分為兩種，第一種為NFPA92B 裡所建議之輻射量計算式，火災初期只有少量 可燃物參與燃燒，之後再將周邊可燃物引燃，隨著火災時間的增加，同時燃燒 的可燃物將會成倍增加，如圖2-11所示，無指向性的火源火焰輻射對4c 立體角 均一放射，在距火源火焰中心半徑為R 的球面空間範圍處，火源火焰輻射對該 處的可燃物產生與半徑方向垂直的面之入射熱輻射量q＂，可以依據熱釋放率Ｑ 與熱輻射分率Ｘ^r 計算之。

...(2.10)

圖2-11 火源對周邊可燃物熱輻射之示意圖

而由於熱輻射效率依據不同的燃料類型為0.2~0.6 之間【11】，NFPA92B 直 接以1/3作為一般火源之熱輻射 分率，因此可以將熱輻射量計算式簡化為 q＂

=Q/12πR²，此計算公式用於火源與輻射受熱對象物之間無遮蔽時。

當對象物的受熱面對應火焰中心半徑方向有角度θ的偏移時，則應將依公式

(2.10)所得之值在乘以cosθ。若r代表火源半徑時，則R/r > 4時可以獲得較理想的 計算結果，否則應考慮型態系數的關係。

其第二種輻射量計算模式，火源與對象物之間有遮蔽存在，使得火源產生

2

2

12

" 4

R Q R

Q q X

⋅

= ⋅

⋅

⋅

= ⋅

π π

20

之熱輻射量q"受到火源面與對象物之空間關係影響，必須再加入型態系數之考 量，及除了計算前一種計算模式之火源熱輻射量外，還必須乘以火源面與對象

物間之型態係數值FSO，才能評估有遮蔽物對象所受到之熱輻射量。其中火源面

指的是面對對象物之火源面積與形狀，分為兩種火焰型為評估方式，第一種為 將火源面視為一直立圓筒，如圖2-10所示，其r 為直立圓筒之半徑，火源面之 高度l為連續火焰高度，火源面對於對象物間之垂直距離為h，其公式如下：

圖2-12 圓柱型火源面與對象物相對關係示意圖【12】

...(2.11) ...(2.12)

...(2.13)

...(2.14)

q ＝火源面產生之平均輻射熱（KW/ms ²）

"

q

τ＝大氣穿透率，預設為１ ε＝火焰放射率，預設為１

s

so

q

F q " = ×

(

)

s

T T

q = τ × ε × σ × −

( ) ( )

( )

 





+

− − +

−

⋅ + −



 





⋅ −

= ^{− − −}

1 tan 1

1 1 tan 1

2 1

1 tan 1 1

2 1

H H H

H Y

H X Y

X H

H X L H

L F_so H

π π

( ^{l H} )

^L

^Y ( ^{l H} )

^L

r X L l r

H = h ； 　 = ； = + + ； = − +

21

σ＝

^{5 . 67 × 10}

To ＝對象物溫度（K）

ｈ＝對象物至火源圓柱中心軸之垂直距離（m）

ｒ＝火源圓柱之半徑（m）

l ＝連續火焰高度（m）

其第二種火焰行為將火源面視為一平面，此種狀況類似噴出火焰行為。在

樓板上方對於對象物的火焰高度Lf，假設為平面火源，火源面之寬度W，樓板

上方火源面之高度H=L_f，火源面對於對象物間之垂直距離為c，火源面與對象

物間之相對關係如下列公式：

...(2.15)

Ｘ＝Ｗ／ｃ，Ｙ＝Ｈ／ｃ

火源面對於對象物之輻射熱影響為積分之型式所組成，因此將火源面輻射 源切割成若干個等分時，即可利用輻射推估公式累計求得對象物之接受輻射熱，

亦即火源面輻射源Ａ^１對於對象物之接受輻射熱q₀₁"= F_so1×q_s，加上火源面輻射 源Ａ^２對於對象物之接受輻射熱q₀₂"=F_so2×q_s，如圖 2-11 所示。

所以q"=

(

)

...(2.16)

( W ) C

X = / 2 /

Y = ( H / 2 ) / C





















× + + +









× +

= + ^{− −}

2 1

2 2

1

2 1

tan 1

1 tan 2 1

1

Y X Y

Y X

Y X

F_so X π















 





× + + +



 





× +

× +

= ^{− −}

2 1

2 2

1

2 1

tan 1

1 tan 2 1

4 1

Y X Y

Y X

Y X

F_so X

π

22

圖 2-13 火源面對於對象物之輻射熱影響計算示意圖【11】

火源面 w

A3 A4 c A1 A2

H

dA

23

2-5 FDS 火災模擬軟體探討

本研究使用 FDS 進行數值模擬，FDS（Fire Dynamics Simulator）為美國 NIST（Nation Institute of Standards and Technology）國家標準與技術協會機構下 之 BFRL（ Building and Fire Research Laboratory）建築與火災研究試驗室所 研發之動態火場氣流體流動計算軟體，可用於模擬三維的火災情境，將模擬範 圍切割成若干正立方體之數值網格，所有之計算必須在網格內完成，因此格點 劃分得愈細，計算上也愈繁複，所需的時間愈久，可較精確的預估火災發生時 火場的壓力、溫度、輻射與煙流流動等火災的物理數據，因此也更適合於形狀 複雜的建築空間火災模擬。

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。

2-5-1 相關理論公式

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。

1.基本方程式 質量守恆方程式

...(2.17)

動量守恆方程式

...(2.18)

24

能量守恆方程式

...(2.19)

狀態方程式

...(2.20)

其中，ρ為密度，u 為速度向量， 為液體的生成或消耗率， 為重 力項外的各類外力項， 為熱焓值， 是壓力張量， 是化學反應中單位 體積產生的熱釋放率， 是液滴蒸發所消耗的熱釋放率， 代表傳導與輻 射熱通量，

ε 則為動能因為黏滯力轉換成熱能的逸散項。

2.燃燒模型

在燃燒模型中主要是以混合分率(mixture fraction)為基礎所建立。

CxHyOzNaMb+vO2 O2 VCO2 CO2+vH2OH2O+vCOCO+vS S+vN2 N2+vMM N2為氮氣，M為物種平均分子量，FDS設定在不消耗氧氣的過程中反應的，

而反應式可簡化為下列反應式。

v₀【F】v_F【O】

∑

P

v_p【P】...(2.21) 其中，v 為化學當量係數，O 為氧氣，F 代表燃料，P 則代表生成物。在 FDS 裡，煤煙被設定為碳與氫的混合物，X_H為碳與氫的原子數，v_s為煤煙的化 學劑量係數，ys為煙的產量，由以下關係式表示：

v

=

W_S

y

； W

= X

W

+(1-X

)W

v

=

WS

y

25

Z=

∞)

S𝑌_F^I+𝑌_O^∞

， S=

𝑣_F𝑊_F

，v

=1，

上列關係式裡面，𝑌_𝑂^∞為環境中氧的質量分率，𝑌_𝐹^𝐼為燃料流部份的濃度百 分比，W_F為燃料分子量，W_O為氧的分子量，而混和分率也遵守質量守恆定律：

...(2.25)

假設化學反應無限快，所以表示燃料與氧氣在反應時的速率非常快速，因 此燃料與氧氣無法同時存在，所以火表面為燃料與氧同時消失的位置，其反應 為：

...(2.26)

圖 2-14 氣體混和關係圖【14】

但以上模型僅適用於通風良好處，即未發生局部熄滅時。當通風條件較差 時，即使燃料與氧氣混合，亦可能不反應，故可將混合分率Z 分為不反應項Z1

Z Dt D

DZ =∇⋅

ρ

ρ

( )

= +

=

O I F

O f

f sY Y

Z Y Z t x

Z , ;

26

與反應項Z2，而Z= Z1+Z2。

Z

=

Y_F^I ...(2.27)

Z

=

[X−𝑣_𝐶𝑂−(1−𝑋_𝐻)𝑣_𝑆]W_co2 Y_co2

Y_F^I ...(2.28) 若Z2為零時，即代表燃料與氧氣混和但未燃燒(局部熄滅)而無燃燒產物生 成。而燃料和氧氣混合物的燃燒與否則由圖2-12中的氧氣分率與溫度間的關係 決定，若發生反應，Z1 便轉變為Z2 而生成燃燒產物。

...(2.29)

圖 2-15 氧氣分率與溫度關係圖【14】

單位體積的熱釋放率是以所消耗的燃料質量為基準，而由下列關係式中表 示。ΔHF 為單位質量的燃料燃燒熱，ṁ_F^′′′為燃料質量消耗率，單一格點中的燃 料與氧氣分率可分別由Z1 與狀態方程式得到。若此格點可燃燒(圖2-13)，則發 生無窮快的化學反應直到燃料或氧氣完全耗盡，而由其燃料消耗率換算為熱釋 放率。

在數值計算法中，是以局部的火焰來估算熱釋放率，然後估算出每個單位 區域的熱釋放率，最後將能量分佈到格點切割到的火焰，用這種方法在理想上，

火焰是被佈滿於整個格點的寬度，而且與所有氣體相量一致。

27

比較好的作法是當火源決定後計算局部位置的熱釋放率，一個好的火源量 測是以一個無因次式D^*

δ

...(2.30)

其中 x

δ

δ

在火源上有較多的格點數量是有助於計算的解析，在火災情境中D 對於物理^*

上的火源直徑其關連性較小，而且（或）與數值格點的關連性較粗糙，當在化 學反應表面

(

)

...(2.31)

Z_f,eff ：接近理想值Z_f

Z_f ：理想值 3.熱輻射模型

氣體的輻射傳遞方程式(Radiative Transport Equation)為：

s ⋅∇I

( x, s )

( x, λ ) [ I

( x )

( x, s ) ]

在實用的模擬光譜中無法解的相當精確，所以在進入波段較小時的輻射幅 度是分散的， 而分離的輻射轉換方程式是由每一個波段裡所衍生出來的，所以 方程式轉換為：











=

∞

∞c T g

D Q

ρ

*



 



= 

x CD Z

Z

f eff f

δ

*

, min 1,

28

s ⋅∇I

(x)[I

(x) − I

(x, s)] , n =1……N ...(2.33)

其中Iⁿ為積過波段n 的強度，kⁿ為波段n 裡的適當平均吸收係數，而 Ib,n x

可以表示成黑體輻射（Blackbody Radiation）百分比。

其中

σ

I(x, s) = �^𝑁_𝑛=1In(x, s) ...(2.34) 而在能量方程式中熱輻射損失項為：

...(2.35) 格點所獲得的輻射能量是發射量與吸收量的差值。輻射源強度的定義為：

於火焰面內 與火焰面外

其中， 代表單位體積的熱釋放率， 代表熱輻射所佔能量的比例。而 輻射熱通量 為：

...(2.36)

2-5-2 格點參數設定探討

在FDS模擬分析中，計算模擬範圍的格點分布，一方面必須考慮有足夠的密 度，以正確合理地描述流場中每一個位置之物理量變化，一方面又必須兼顧計 算資源之有效運用與計算時間之控制。因此，太密的格點系統將造成格點數目 太多，而導致計算時間太久、計算資源需求過高之問題發生；相反地，若格點

系統分布太過稀疏，將可能造成無法正確描述流場之問題【15】，甚至產生不合

理的結果。因此，如何適當地劃分計算域之格點，是為一大課題。

( )

π σ λ

λ

,

, T

I_bn = Fⁿ

29

一個用於描述火原尺寸大小的無因次參數 為無因次參數可由下列公式 表示：

...(3-35) ＝火源特徵直徑

＝最大熱釋放率 ＝密度(預設為1.2) ＝空氣比熱(預設為1) ＝絕對溫度(^oC+273) ＝重力加速度(預設為9.81) ＝火源直徑

一般來說， 的值會在0.1~1.0之間，在大多數的建築火災中火源直徑多 在0.1m到2m之間，而相對應的 值也都在0.3~3.0之間。

對於FDS電腦模擬軟體來說，格點尺寸對於模擬結果是非常重要的， 值 為火源區格點尺寸大小的無因次參數，根據既往研究中提到， 值越接近0.05 越好，而 為特徵長度尺度。

...(3-36) ＝模擬的分辨率 (resolution of Simulation )

δx, δy, δz＝火源區最大網格size

...(3-37)

＝特徵長度尺度

*

QD

Q

ρ∞

Cp

T∞

g D

30

2-5-3架構與特性

場模式（Field Models）又稱為計算流體動力學模式（Computational Fluid Dynamics，CFD），其將空間劃分為大量的小格點，可為二維或三維空間的模 擬。其發展的基礎為計算燃燒學，且利用數值方法描述火災現象的動量、質量 及組成成份，並利用紊流參數等非線性偏微分方程式離散化成代數方程式，帶 入輸入條件，重複迭代計算模擬空間中細小格點之物理特性，預測火災發生過 程中，每個隔點的速度、壓力、溫度、濃度值。這些結果可用以推測當火災發 生時是否有造成向外延燒現象之可能性。

本研究採用場模式進行防火延燒性能設計分析，所用之分析軟體美國國家 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）研發之版本FDS 5.03（FireDynamics Simulator）火災模擬軟體，做為研究分析工具。FDS處理架構與程序分為以下 三個部分：

1、前處 理：於前處理中，必須以純文字格式輸入模擬之模型尺寸、物件規格、

格點分配及邊界條件等，做為模擬計算基礎，並且根據FDS軟體內建的資料庫 中，選擇所需的火源燃燒物的數值及設定模擬燃燒的時間數據。

2、數值解：即是FDS 的運算核心部分，將前處理所製作好的物件幾何尺寸等 參數讀入電腦，以數值方法求解，並將所需的計算結果輸出。

3、後處理：FDS 的後處理部分與Open GL的繪圖軟體Smokeview 結合，可將 FDS所計算出來的結果，利用圖形或2D 與3D 動畫的效果呈現，並 利用所運算 出的數據，經整理之後，觀察影響人員避難的能見度、一氧化碳及煙層下降與 時間的關係。

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2-5-4操作流程

FDS 的架構如圖2-14所示，首先必須輸入一個Input file，名為 Job_name.fds，

執行後產生副檔名為.bf、.iso、.q、.sf、.out、.smv、.csv等檔案。Smokeview是 結合FDS的一個數據後處理軟體，可將FDS所計算出來的結果，利用Open GL 繪圖軟體以圖形或2D與3D動畫的效果呈現。利用後處理程式Smokeview 針對 火場內之溫度場、速度場、流場、CO 濃度、CO2 濃度、O2 濃度，能見度等 參數做3D 視覺效果呈現，並可動態穿入火場，達到虛擬實境的效果。執行後 同時產生四個電子試算表檔案hrr.csv、mass.csv、state.csv、tc.csv，產生量測的 數據，與Smokeview 之輸出皆可後製成圖表，方便使用者檢視。

圖2-16 FDS與Smoke view之組織架構與操作流程圖【13】

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2-6 相關研究之整理與探討

2-6-1 火災燃燒實驗相關研究之探討

本節將藉由火災燃燒實驗文獻與火災延燒進行相關研究整理與探討，並藉 由火災燃燒實驗文獻所量測之火焰高度、熱輻射做為後續與 FDS 場模擬軟體和 延燒理論公式之比較分析。

表 2-5 國內火災延燒相關研究整理

研究報告 作者 出處 內容摘要

防火延燒性 能設計上利 用場模擬溫 度評估之研 究

陳俊列

【6】

中華大學建 築研究所碩 士論文 (2008)

研究首要分析探討防火區劃性能設計之理論架構，以 建築挑高空間為主要研究對象，利用防火區劃的性能 設計公式驗證其延燒防止，並以 FDS（Fire Dynamics Simulator）火災模擬軟體檢證區劃周圍溫度是否與性 能設計公式計算之結果吻合，以確認其防火區劃替代 方案之可靠性。

建築騎樓機 車火災對策 之研究

鍾清松

【23】

國立台灣科 技大學/營建 工程研究所 (1999）

針對建築騎樓之機車燃燒行為進行對策之研究，也檢 討建築物的防護措施來防止騎樓機車火災之危害。從 分析得知，一般機車火災之最大水平距離範圍為 6m，

持續時間約 30 分鐘左右。而機車火災所影響之高度為 6.8m，於此範圍之木質材料會有被引燃之危險。在建 築物之防護對策措施方面，位於騎樓機車六公尺範圍 內之裝修材應為不可燃，而於騎樓區域之出入口應為 防火門。

建築物外牆 開口與鄰棟 間隔距離對 火災輻射延 燒之影響

莊英吉

【12】

國立台灣科 技大學碩士 論文，(1997)

研究以全尺寸實體火災試驗，探討防火建築物之居室 發生燃燒時，其經由外牆開口部產生之輻射熱，是否 會對鄰棟建築物造成輻射引燃。依試驗結果顯示，各 居室火災時，其開窗中央對向 2m 距離之輻射熱，均 超過木質材料等可燃物引燃危險值，顯示有棟間輻射 延燒之虞。利用開口面積的大小以及關閉開口來檢討 棟間輻射延燒危險性。

自 由 空 間 下 機 車 燃 燒 行 為

張邦立

【10】

國立台灣科 技大學營建 工程系 (2004)

利用 10 MW 燃氣分析儀，量測於自由空間下實體機車 燃燒之熱釋放率，並以相關儀器及設備量測實體機車 燃燒之火焰高度與火焰溫度。同時，本研究更利用縮 尺 1 / 4 長方形火源之燃燒裝置來模擬自由空間下機車 燃燒行為