國立臺灣大學化學工程學研究所碩士學位論文火災模擬方法應用於消防滅火訓練設施設計之研究AStudyonFireExtinguishingTrainingFacilityDesignbyUsingFireDynamicSimulationMethod研究生:張冠吾指導教授:陳誠亮博士中華民國九十五年七月i誌謝如果以一個休學兩年而復學的學生來說,一個碩士生在學校待的時間是嫌長的;然而,若以學習的角度來看,這段時間卻並不算太長。很衷心的感謝我的指導教授陳誠亮老師在這些年來悉心的指導、教誨與照顧,除了在學術研究方面指引我學習的方向外,並提醒我做研究的方法與態度,更多的是看到老師他身體力行的治學態度與人生哲學。論文口試期間特別感謝系上黃孝平教授及余政靖教授的指正與建議,同時也很感謝台北科技大學化工系林顯聖教授及文化大學化工系主任陳文智副教授中肯的指導與建議。在此也想感謝我的家人一路的支持與鼓勵,若能有一些些的榮譽願以此獻給那些曾經幫助過我的人。iiiii摘要火災因火源、可燃物及通風條件狀態具有高度時間依存性,造成火場內部變化瞬息萬變。本研究在建立一套可靠的理論模式來模擬滅火訓練設施內部流場變化如溫度分布、質傳效應及通風效應,並從中了解火災相關危害因子之影響及其作用,以期消防人員在面臨真實火場前能先處於可控制風險的火災環境進行訓練,以達到減低搶救人員傷亡之目的。目前國外的閃燃滅火訓練設施多仰賴實務界的試誤,亦即藉由訓練中發生的錯誤來調整重現真實火場來達成訓練的目的,不僅危險性高,且缺乏一套正確的理論分析模式。對此,本文從單一水線滅火最低水量得到訓練設施尺寸的合理性要求,並依得到的設施合理尺寸嘗試不同的配置方式造成的影響;另依閃燃條件決定訓練設施火源的大小及閃燃通風開口條件,最後觀察內部流場的溫度分布並與消防人員平時穿戴之防護裝具耐熱性做比較及分析。最終由理論模式及分析基礎的設計達到訓練風險控制的要求。文後對於設施應有的緊急停止裝置、材質補強等安全性設計及後續濃煙污染控制範疇不在本文探討之列。ivvAbstractBecauseoftheheatsources,flammableobjections,andtheventilation,firesarestronglytime-dependent;itcausestheinternalflowofafiregroundchangesfrequently.Aneffectivetrainingisthebestwayforfirefighterstoreducetheinjuriesinthefireground.However,todaymostfireextinguishingtrainingsarereliedonthepracticingtrialsanderrors.Lackingofacorrectlyanalyticalmodelisverydangerousanditmeansthatwehavetofacearealfirescenarioduringthetraining.Thispaperisaimedtosetupareliablemodeltosimulatethechangesofinternalflowinthefireextinguishingtrainingfacilityandwishtofindareliableandsaferallocationofthetrainingfacilitiesbytheadjustmentoffiredamper,elevation,andfiresource.Thenecessarysafetydesignssuchasemergencystopdevicesandsmokepollutioncontrolsarenotincludedinthisresearch.vivii目錄第一章緒論……………………………………………………………………1第一節前言……………………………………………………………………2第二節研究範圍與限制………………………………………………………4第三節研究方法與流程………………………………………………………5第二章FDS與火災模擬之相關性…………………………………………7第一節火災概要………………………………………………………………7第二節火災模式介紹…………………………………………………………10第三節火災模式之發展背景…………………………………………………11第四節FDS之理論基礎………………………………………………………12第三章統御方程式…………………………………………………………15第四章數值方法………………………………………………………………23第五章燃燒訓練室參數設定與探討……………………………………27第一節模擬櫃尺寸之決定……………………………………………………27第二節火源描述………………………………………………………………28第三節通風條件………………………………………………………………32第四節模擬時間………………………………………………………………34第六章情境模擬結果與討論………………………………………………35第一節火源強度改變時的溫度場效應………………………………………37第二節操作櫃與燃燒櫃不同階層差及上方擋板存在時的溫度場效應……40第三節煙流的擴散效應………………………………………………………43第四節結論……………………………………………………………………43第七章未來展望………………………………………………………………46參考文獻…………………………………………………………………………47附錄(A)……………………………………………………………………………49viii附表目錄表1國內外因閃燃致死重要災例一覽表…………………………………2表2荷蘭消防單位配置基準………………………………………………3表3閃燃溫度要件…………………………………………………………9表4熱探測器編號與量測位置一覽表………………………………………36ix附圖目錄圖1火災溫度與時間關係圖………………………………………………4圖2研究流程圖……………………………………………………………5圖3有焰燃燒與無焰燃燒之燃燒要素……………………………………8圖4幾何相似性……………………………………………………………11圖5堆疊高度與釋熱率關係圖……………………………………………30圖6釋熱率與時間關係圖…………………………………………………30圖7火源的釋熱率時間曲線圖……………………………………………31圖8混凝土牆的溫度反應…………………………………………………33圖9強度與溫度變化曲線圖………………………………………………33圖10滅火訓練櫃計算邊界與櫃體外觀……………………………………35圖11HC40之火源直上方的溫度變化曲線………………………………53圖12HC60之火源直上方的溫度變化曲線………………………………53圖13HC80之火源直上方的溫度變化曲線………………………………53圖14HC40之火源釋熱率變化曲線………………………………………54圖15HC60之火源釋熱率變化曲線………………………………………54圖16HC80之火源釋熱率變化曲線………………………………………54圖17HC40開口附近Y方向速度場變化曲線……………………………55圖18HC60開口附近Y方向速度場變化曲線……………………………55圖19HC80開口附近Y方向速度場變化曲線……………………………56圖20HC40火源附近牆壁的溫度分布曲線………………………………56圖21HC60火源附近牆壁的溫度分布曲線………………………………57圖22HC80火源附近牆壁的溫度分布曲線………………………………57圖23HC40火源附近牆壁第300秒時的溫度分布曲線…………………58圖24HC60火源附近牆壁第300秒時的溫度分布曲線…………………58x圖25HC80火源附近第300秒時牆壁的溫度分布曲線…………………59圖26HC40操作櫃上方溫度分布曲線……………………………………59圖27HC60操作櫃上方溫度分布曲線……………………………………60圖28HC80操作櫃上方溫度分布曲線……………………………………60圖29HC40消防帽高度承受的輻射強度曲線……………………………60圖30HC60消防帽高度承受的輻射強度曲線……………………………61圖31HC80消防帽高度承受的輻射強度曲線……………………………61圖32HC40呼吸器面罩高度承受的輻射強度曲線………………………61圖33HC60呼吸器面罩高度承受的輻射強度曲線………………………62圖34HC80呼吸器面罩高度承受的輻射強度曲線………………………62圖35HC40消防衣高度承受的輻射強度曲線……………………………62圖36HC60消防衣高度承受的輻射強度曲線……………………………63圖37HC80消防衣高度承受的輻射強度曲線……………………………63圖38HC40消防鞋高度承受的輻射強度曲線……………………………63圖39HC60消防鞋高度承受的輻射強度曲線……………………………64圖40HC80消防鞋高度承受的輻射強度曲線……………………………64圖41滅火訓練櫃存在階層差時櫃體外觀…………………………………42圖42階層差30公分時火源直上方的溫度變化曲線………………………64圖43階層差30公分時第202秒的Y方向速度變化曲線…………………65圖44階層差90公分時Y方向速度變化曲線………………………………65圖45階層差30公分時第106秒的溫度變化………………………………66圖46階層差30公分時天花板的溫度變化曲線……………………………66圖47階層差30公分時側牆的溫度變化曲線………………………………67圖48階層差90公分時側牆的溫度變化曲線………………………………67圖49階層差30公分時蹲姿高度的輻射強度變化曲線……………………68圖50階層差90公分時蹲姿高度的輻射強度變化曲線……………………68xi圖51階層差120公分時蹲姿高度的輻射強度變化曲線…………………68圖52階層差與擋板存在時櫃體外觀………………………………………42圖53擋板置於操作櫃中間上方時火源直上方的溫度變化曲線…………69圖54擋板置於中間向前一公尺時火源直上方的溫度變化曲線…………69圖55擋板置於中間向前一公尺時火源直上方的溫度變化曲線…………69圖56Y=3時操作櫃上方天花板的溫度變化曲線…………………………70圖57Y=4時操作櫃上方天花板的溫度變化曲線…………………………70圖58Y=5時操作櫃上方天花板的溫度變化曲線…………………………70圖59Y=3時火源釋熱率變化曲線…………………………………………71圖60Y=4時火源釋熱率變化曲線…………………………………………71圖61Y=5時火源釋熱率變化曲線…………………………………………71圖62火源堆疊高度40公分時流場內部煙流分布狀況……………………72圖63火源堆疊高度60公分時流場內部煙流分布狀況……………………72圖64火源堆疊高度80公分時流場內部煙流分布狀況……………………73圖65階層差30公分時流場內部煙流分布狀況……………………………73圖66階層差90公分時流場內部煙流分布狀況……………………………74圖67擋板設於Y=3時,流場內部煙流分布狀況…………………………74圖68擋板設於Y=4時,流場內部煙流分布狀況…………………………75圖69擋板設於Y=5時,流場內部煙流分布狀況…………………………75xii符號說明(依章節順序列舉)D為質量擴散係數(),,xyzuuuu=為流體速度p為壓力T為溫度t為時間iY為成分i的質量分率(Massfraction)ρ為流體密度g為重力f為作用於系統之外力τ為剪應力(Shearstress)w′′′單位體積成