淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-2708200715154600
中文論文名稱 火災模擬器之實驗與數值分析
英文論文名稱 Numerical Simulation and Experimental Diagnosis of a Fire Simulator
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 廖俊傑
研究生英文姓名 Chun-Chieh Liao
學號 694370064
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-23
論文頁數 94頁
口試委員 指導教授-湯敬民
委員-高崇洋
委員-陳增源
中文關鍵字 FDS  火災模擬器  V型駐焰器  熱釋放率 
英文關鍵字 FDS  fire simulator  V-gutter  heat release rate 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 長久以來火場的災害造成人類重大損失,本研究利用根據計算流體動力學(CFD)模式所建構之火災動態模擬(FDS)程式來進行火災模擬探討;再輔以實際燃燒爐實驗之量測結果,將模擬與實驗之數據相互比照,以探討實際燃燒之過程。

本研究以建構火災模擬器來模擬火災場景裡的三種火焰型態,在三種不同場景之燃燒模擬過程中,將對燃燒爐內的氣體成分、濃度、溫度和速度等參數之分布情形,以及與時間函數做資料的擷取和結果的探討。其後再個別將模擬與實驗的火燄分佈及溫度做對照,來加以評估模擬情境之可信度。

模擬數據結果得知,火源所置的地點影響著區劃空間中溫度的
擴散情形,燃燒過程中對於氣體的流動上亦會造成渦流的產生,並發現到渦流大都是因為熱氣流的上升再碰撞至障礙物、天花板或是冷熱氣流交替的關係而產生,且當流場氣流擾動能越大表示其燃氣混合效應越好,對於燃燒之情形更加有助焰之效果。在燃料、氧氣與一氧化碳量的計算裡發現到,於開放性空間自然對流下,無論何種燃燒場景下,由開始燃燒至5秒後其曲線變化便不再繼續增加或減少的趨勢,且到達至某定值後便會保持在於平穩的狀態上。

模擬與實驗中的溫度曲線圖及火焰分佈的狀態關係可判定出,於天花板上的延燒情形下,對於在火場裡的人們危害性是最低的;所量測之溫度值,在整體性上其中V型駐焰器溫度平均誤差約為11℃或11.7%,長型燃氣出口溫度平均誤差約為9℃或8.03%,方型燃氣出口溫度平均誤差約為26℃或8.9%,就大區域的火災溫度測量上,此結果可算是相當吻合。

本研究初步驗證火災模擬器火焰的可控制性與實驗過程的安全性,並確定此FDS可用於火災模擬器下的火災模擬,對於往後進步一的研究下,可依FDS先行模擬之結果來判斷實驗中可能遇到的困難及危害性,進而加以預防提高實驗之成功率與準確性。
英文摘要 The occurrence of fire has always caused a great calamity to mankind. How to carry on the rescue in the fire scene, reduce the injury when the fire occurs, resist expansion of the scene of fire and prevent the occurrence of the fire, etc, are the key subjects that people concentrate for a long time. In this thesis, we use Computational Fluid Dynamic (CFD) software: Fire Dynamics Simulator (FDS) program to simulate the discussion, solving the numerical solution in Navier-Stokes equation. FDS can be used for establishing the conditions similar to fire scene and shows the situation of dynamic simulation.
In this thesis, we regarded propane gas as single gas, and measure with three different kinds of gas exporting type and fire source places. In the course of burning simulation of three kinds of different scenes, we are going to discuss following parameters, such as gas composition, thickness, temperature and speed in the combustion furnace and verify the simulation and experiment.
The result of simulation shows that the place which putting fire source could influence the diffusion situation of temperature in the space. We also found that the vortices created because of the rising of the hot air collide to the barrier and ceiling or exchange of cold and hot air.
From the results of experiment and simulation, we found the average temperature difference were about 11℃ or 11.7% which measured in V-gutter flameholder, 9℃or 8.03% in gas burner and 26℃ or 8.9% in storage fire simulator. The result in simulation is consistence with experiment.
This thesis verified the control of flameholder of fire simulator and safety of experiment process at first and confirmed that the FDS software could simulate the fire in fire simulator. We can use the FDS software to simulate the fire before experiment to increase the accuracy of experiment and reduce the cost of experiment.
論文目次 目錄
一、 緒論 1
1-1 前言 1
1-2火災燃燒過程 2
1-3 閃燃(FLASHOVER)與回燃(BACKDRAFT) 5
1-4 文獻回顧 6
二、 理論分析 16
2-1 理論基礎 16
2-2 紊流模式 18
2-3 燃燒模式 20
三、數值方法 24
3-1 FDS簡介 24
3-2 統御方程式 26
3-3 火災流場模式 31
3-3-1 大渦流模擬(LES) 31
3-3-2 低馬赫數的假定 33
3-4 格點系統 35
四、動態模擬之環境設定 39
4-1 火源之設計 39
4-2 火場燃燒熱釋放率之設定 40
4-3 環境幾何圖形設定與網格分佈 43
五、實驗之設備與環境條件 45
5-1 實驗設備與控制系統 45
5-2 實際燃燒爐之幾何形狀 46
5-3 溫度擷取系統 47
5-4 測量方法 48
六、結果與討論 50
6-1 模擬結果 50
6-1-1 V型駐焰器之燃燒模擬 51
6-1-2 長條型燃氣出口之燃燒模擬 54
6-1-3 方形燃氣出口之燃燒模擬 57
6-2 實驗結果 59
6-2-1 V形駐焰器之燃燒量測 59
6-2-2 長型燃氣出口之燃燒量測 60
6-2-3 方型燃氣出口之燃燒量測 61
七、結論與未來展望 62
7-1 模擬結論 62
7-2 實驗結論 63
7-3 模擬與實驗 64
7-4 未來展望 65
參考文獻 66



圖表目錄
圖1-1 火災歷程之溫度或熱釋放率 3
圗2-1 丙烷狀態關係 22
圖3-1 FDS 架構圖 25
圗3-2 非均勻網格 35
圖4-1 燃燒爐之幾何圖形 69
圖4-2 燃燒爐之網格分佈狀態 69
圖4-3 燃燒爐內之V型駐焰器所置標示 70
圖5-1 實驗設備之規劃 70
圖5-2 真實燃燒爐之構造 71
圖5-3長型與方型燃氣出口之水槽(WATER TANK)內部構造 71
圖6-1 V型駐焰器之火焰分佈 72
圖6-2 V型駐焰器之正視溫度分佈 (A~D),X=1.5M, Z=0.5M 72
圖6-3 V型駐焰器之溫度剖面 (A~F) Y=0.75M, Z=0.5M 73
圖6-4 V型駐焰器之速度等高面 (A~F) Y=0.75M, Z=0.5M 74
圖6-5 管道內V形駐焰器對流場之變化(A~C)[16] 75
圖6-6 V形駐焰器之速度向量剖面(A~B) 76
圖6-7左邊壁面下排感測溫度 (V型駐焰器-FDS) 77
圖6-8 右邊壁面上排感測溫度 (V型駐焰器-FDS) 77
圖6-9 出口上方溫度 (V型駐焰器-FDS) 77
圖6-10 燃料變化量 (V型駐焰器-FDS) 78
圖6-11 氧氣變化量 (V型駐焰器-FDS) 78
圖6-12 一氧化碳變化量 (V型駐焰器-FDS) 78
圖6-13 長型燃氣出口之火焰分佈 79
圖6-14 長型燃氣出口之正視溫度分佈 (A~D),X=1.5M, Z=0.5M 79
圖6-15 長型燃氣出口上之溫度剖面 (A~F) Y=0.75M, Z=0.5M 80
圖6-16 長型燃氣出口之速度等高面 (A~F) Y=0.75M, Z=0.5M 81
圖6-17長型燃氣出口之速度向量剖面(A~C),Y剖面 82
圖6-18長型燃氣出口之速度向量剖面(A~B),Y剖面 83
圖6-19 左邊壁面下排感測溫度 (長型燃氣出口-FDS) 84
圖6-20 右邊壁面上排感測溫度 (長型燃氣出口-FDS) 84
圖6-21 出口上方溫度 (長型燃氣出口-FDS) 84
圖6-22 燃料變化量 (長型燃氣出口-FDS) 85
圖6-23 氧氣變化量 (長型燃氣出口-FDS) 85
圖6-24 一氧化碳變化量 (長型燃氣出口-FDS) 85
圖6-25 方形燃氣出口之火焰分佈 86
圖6-26 方型燃氣出口之正視溫度分佈 (A~D),X=1.5M, Z=0.5M 86
圖6-27 方形燃氣出口上之溫度剖面 (A~F) Y=0.75M, Z=0.5M 87
圖6-28 方形燃氣出口之速度等高面 (A~F) Y=0.75M, Z=0.5M 88
圖6-29方形燃氣出口之速度向量剖面(A~C) 89
圖6-30 左邊壁面下排感測溫度 (方形燃氣出口-FDS) 90
圖6-31 右邊壁面上排感測溫度 (方形燃氣出口-FDS) 90
圖6-32 出口上方溫度 (方形燃氣出口-FDS) 90
圖6-33 燃料變化量 (方形燃氣出口-FDS) 91
圖6-34 氧氣變化量 (方形燃氣出口-FDS) 91
圖6-35 一氧化碳變化量 (方形燃氣出口-FDS) 91
圖6-36 V型駐焰器之燃燒火燄(A , B) 92
圖6-37 V型駐焰器-左,下排溫度值 (實驗) 92
圖6-38 V型駐焰器-右,上排溫度值 (實驗) 92
圖6-39 長型燃器出口之燃燒火燄 93
圖6-40 長型燃氣出口-左,下排溫度值 (實驗) 93
圖6-41 長型燃氣出口-右,上排溫度值 (實驗) 93
圖6-42 方型燃氣出口之燃燒火燄 94
圖6-43 方型燃氣出口-左,下排溫度值 (實驗) 94
圖6-44 方型燃氣出口-右,上排溫度值 (實驗) 94

表4-1 穩定火源設計的基準量 40
表4-2 火源成長模式的係數 41

參考文獻 參考文獻
[1].NIST, Fire Dynamics Simulation (version4)-User’s
Guide, 2006.
[2].內政部建築研究所研究計畫期末簡報,”性能設計與設計火源
檢證研究-防火性能設計之火源燃燒特性研究防火性能設計之
火源燃燒特性研究”,民 國94年11月。
[3].台中市消防局,”閃燃與復燃”,2005年。
[4].簡賢文,消防安全設備,三鋒出版社,民國81年5月。
[5].NIST, Fire Dynamics Simulation (version4)-Technical
Reference Guide, 2006.
[6].Klote, John H., “A Radically New CFD Model: Fire-
Dynamics Simulator: High levels of flow detail now
possible”, HPAC Heating, Piping, Air Conditioning
72 (5SUPPL.), PP. 11-13, May 2000.
[7].Brain Y. Lattimer and Uri Vandsburger, “EFFECT OF A
COMBUSTIBLE CEILING IN A BURNING COMPARTMENT ON THE
CARBON MONOXIDE LEVELS IN AN ADJACENT CORRIDOR”,
International Conference on Fire Research and
Engineering, September 10-15, 1995.
[8].Noah L. Ryder∗, Jason A. Sutula, Christopher F.
Schemel, Andrew J. Hamer,Vincent Van Brunt,
“Consequence modeling using the fire dynamics
simulator”, Journal of Hazardous Materials 115, PP.
149–154, August 2004.
[9].Noah L. Ryder , Christopher F. Schemel, Sean P.
Jankiewicz, “Near and far field contamination
modeling in a large scale enclosure: Fire Dynamics
Simulator comparisons with measured observations”,
Journal of Hazardous Materials 130 PP. 182–186, 2006.
[10].R. Yang, W.G. Weng, W.C. Fan, Y.S. Wang, “Subgrid
scale laminar flamelet model for partially premixed
combustion and its application to backdraft
simulation”, Fire Safety Journal 40, PP. 81–98,
2005.
[11].L.H. Hu, R. Huo, W. Peng, W.K. Chow, R.X. Yang, “On
the maximum smoke temperature under the ceiling in
tunnel fires”, Tunnelling and Underground Space
Technology 21, PP. 650–655, December 2006.
[12].T.X. Qin, Y.C. Guo, C.K. Chan W.Y. Lin, “Numerical
investigation of smoke exhaust mechanism in a
gymnasium under fire scenarios”, Building and
Environment 41, PP. 1203–1213, 2006.
[13].N.D. Pope, C.G. Bailey, “Quantitative comparison of
FDS and parametric fire curves with post-flashover
compartment fire test data”, Fire Safety Journal
41 PP. 99–110, 2006.
[14].Brian T. Fisher 1, Andrew R. Awtry 1, Ronald S.
Sheinson, James W. Fleming, “Flow behavior impact
on the suppression effectiveness of sub-10-lm water
drops in propane/air co-flow non-premixed flames”,
Proceedings of the Combustion Institute, 2006.
[15].O. Vauquelina, Y. Wub, “Influence of tunnel width
on longitudinal smoke control”, Fire Safety Journal
41, PP. 420–426, 2006.
[16].黃建榮,後燃器俱雙V型駐焰器及漩流效應之冷熱流廠方析,
國立中央大學機械工程研究所,碩士論文,1989 June
[17].Yen, Chang-Wu“Characteristics of the Wake Flame
Behind the V-Gutter with an Open-Slit on the
Leading Edge”, Power Mechanical Engineering
instit6ute NATIONAL TSING HUA UNIVERSITY, 1995 July.
[18].曾子如,後燃器助雙環駐焰器冷熱流場分析,國立中央大學
機械研究所,碩士論文,1995 June
[19].Cheng-Hsiung Kuo and Chan-Jou Chang, WAKE STRUCTUREN
BEHIND TWO DIMENSIONAL V-GUTTER SUBJECT TO SPANWISE
SUCTIOON PERTURBATIONS, Journal of Engineering,
National Chung Hsing University, Vol. 9, No.1, pp.
75-85 (1998).
[20].Jing-Min Tang, Kuo-Long Pan, Chang-Wu Yen,
Combusition Instability in a Combustion Chamber with
a Slit V-Gutter, Journal of the Chinese Society of
Mechanical Engineers, Vol.20, No.1, pp.55~65(1999)
[21].Deardorff, J.W., 1970, “A numerical study of three-
dimensional turbulent channel flow at large Reynolds
numbers”, J. Fluid Mech., vol. 41, pp. 453–480.
[22].NIST, User’s Guide for Smokeview (version4)-A Tool
for Visualizing Fire Dynamics Simulation Data, 2006
[23].D.A. Anderson, J.C. Tannehill, and R.H. Pletcher.
"Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer”.
Hemisphere Publishing Corporation, Philadelphia,
Pennsylvania, 1984.
[24].J. Smagorinsky. General Circulation Experiments with
the Primitive Equations. The Basic Experiment.
Monthly Weather Review, 91(3):99–164, March 1963.
[25].H.R. Baum and K.B. McGrattan. Simulation of Large
Industrial Outdoor Fires. In Fire Safety Science–
Proceedings of the Sixth International Symposium.
International Association for Fire SafetyScience,
2000.
[26].W. Zhang, N. Ryder, R.J. Roby, and D. Carpenter.
Modeling of the Combustion in Compartment Fires
Using Large Eddy Simulation Approach. In Proceedings
of the 2001 Fall Technical Meeting,Eastern States
Section. Combustion Institute, Pittsburgh,
Pennsylvania, December 2001.
[27].B.E. Poling, J.M. Prausnitz, and J.P. O’Connell.
The Properties of Gases and Liquids. McGraw-Hill,New
York, 5th edition, 2000.
[28].Fruin, J.J., Pedestrian Planning and Design,
“Metropoltan Association of Urban Designers and
Environmental Planners”, Inc., New York, 1971.
[29].柯建明,”大型車站建築之火災煙控系統設計與電腦模擬分
析”,國立中山大學機械與機電工程研究所,民國92年6月。
[30].林瑞玉,呂信忠,工研院環安中心,”矽甲烷供應系統火場模
擬實例”,工業安全科技,P.53~57,2005.
[31].王瓊媚,”區畫空間火場內撒水液滴行為之研究”,中原大學
機械工程學,民國91年6月。
[32].“SFPE handbook of fire protection engineering 3rd
ed.”, PP. 3-111, 2002.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2007-08-28公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2007-08-28起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信