A Study on Fire Extinguishing Training Facility Design by Using Fire Dynamic Simulation Method

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。Because of the heat sources, flammable objections, and the ventilation, fires are strongly time-dependent; it causes the internal flow of a fire ground changes frequently. An effective training is the best way for fire fighters to reduce the injuries in the fire ground. However, today most fire extinguishing trainings are relied on the practicing trials and errors . Lacking of a correctly analytical model is very dangerous and it means that we have to face a real fire scenario during the training. This paper is aimed to set up a reliable model to simulate the changes of internal flow in the fire extinguishing training facility and wish to find a reliable and safer allocation of the training facilities by the adjustment of fire damper, elevation, and fire source. The necessary safety designs such as emergency stop devices and smoke pollution controls are not included in this research.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) ……………………………………………………………………… 49 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 …………………………… 36 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11 HC40之火源直上方的溫度變化曲線 …………………… 53 圖12 HC60之火源直上方的溫度變化曲線 ……………………… 53 圖13 HC80之火源直上方的溫度變化曲線 ……………………… 53 圖14 HC40之火源釋熱率變化曲線 ……………………………… 54 圖15 HC60之火源釋熱率變化曲線 ……………………………… 54 圖16 HC80之火源釋熱率變化曲線 ……………………………… 54 圖17 HC40開口附近Y方向速度場變化曲線 …………………… 55 圖18 HC60開口附近Y方向速度場變化曲線 …………………… 55 圖19 HC80開口附近Y方向速度場變化曲線 ……………………… 56 圖20 HC40火源附近牆壁的溫度分布曲線 ……………………… 56 圖21 HC60火源附近牆壁的溫度分布曲線 ……………………… 57 圖22 HC80火源附近牆壁的溫度分布曲線 ……………………… 57 圖23 HC40火源附近牆壁第300秒時的溫度分布曲線 …………… 58 圖24 HC60火源附近牆壁第300秒時的溫度分布曲線 ………… 58 圖25 HC80火源附近第300秒時牆壁的溫度分布曲線 ………… 59 圖26 HC40操作櫃上方溫度分布曲線 …………………………… 59 圖27 HC60操作櫃上方溫度分布曲線 …………………………… 60 圖28 HC80操作櫃上方溫度分布曲線 …………………………… 60 圖29 HC40消防帽高度承受的輻射強度曲線 ………………… 60 圖30 HC60消防帽高度承受的輻射強度曲線 ………………… 61 圖31 HC80消防帽高度承受的輻射強度曲線 ………………… 61 圖32 HC40呼吸器面罩高度承受的輻射強度曲線 ……………… 61 圖33 HC60呼吸器面罩高度承受的輻射強度曲線 ……………… 62 圖34 HC80呼吸器面罩高度承受的輻射強度曲線 ……………… 62 圖35 HC40消防衣高度承受的輻射強度曲線 ………………… 62 圖36 HC60消防衣高度承受的輻射強度曲線 ………………… 63 圖37 HC80消防衣高度承受的輻射強度曲線 ………………… 63 圖38 HC40消防鞋高度承受的輻射強度曲線 ………………… 63 圖39 HC60消防鞋高度承受的輻射強度曲線 ………………… 64 圖40 HC80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 ………… 68 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56 Y=3時操作櫃上方天花板的溫度變化曲線 ……………… 70 圖57 Y=4時操作櫃上方天花板的溫度變化曲線 ……………… 70 圖58 Y=5時操作櫃上方天花板的溫度變化曲線 ……………… 70 圖59 Y=3時火源釋熱率變化曲線 ……………………………… 71 圖60 Y=4時火源釋熱率變化曲線 ……………………………… 71 圖61 Y=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 ………………… 7