火源擺放位置

火源擺放位置 如何影響火焰高度?為什麼火源放在角落更容易造成閃燃?!

最後更新日期: 2022-01-05

105年的一般四等和設備士的「火災學」同時考了一個非常有趣的題目,哪一個 火源擺放位置 會讓火焰高度、溫度最高?這個問題我之前有在FB貼文中簡單解說過,最近我們的朋友弘穎來信告訴我盧守謙火災學中針對這部份的解說內容,我覺得非常有意思,所以就找了更多國外文獻來研究

105一般四等-火災學

某教室內有一組桌椅,在同樣的室內裝修下放置下列何處,其火焰高度會較高?
(A)中央
(B)靠牆
(C)靠角落
(D)一樣

105設備士-火災學

在通風良好居室內置放一盛有酒精之標準燃燒盤,將之引燃並移置至居室內部各處,試問該燃燒盤火羽流(Fire plume)在下列那一位置之火焰高度及溫度會最高?
(A)室內中央點位置
(B)依靠某一側牆壁
(C)距離某一側牆壁約50公分處
(D)依靠兩牆交接角落處

本篇文章參考下列的文獻資料,我會將相同重點整理在一起,如果有興趣查看更詳細的解說,也可以閱讀原文

實驗方法

不同研究單位使用的實驗方法都不同,National Institute of Standards and Technology (NIST)就有做過下面影片的實驗,將熱釋率400KW、以天然氣為燃料的火源擺在室內空間的一處角落燃燒,經過30分鐘後將原本距離角落 10 公分處的火源每15分鐘向外移動一次,在火焰上方三個不同高度測量溫度,檢測溫度、火焰高度的下降幅度

另外也有實驗將火源分別靠在牆面角落居室中央等三個位置分別測量溫度、火焰高度。實驗時會有三個距離參數

火源擺放位置
  • S1:與第1面牆的距離
  • S2:與第2面牆的距離
  • D:火源的直徑

如果 S1:S2 = 1:0 代表火源的一邊是靠在牆上的,而當我們要討論「角落」的狀況時,通常都是採用 S1:S2 = 1:1 的方式來進行,也就是火源與兩面牆的距離都是一樣的,遠離角落時會以45度角往外移動,這時與牆的距離火源的直徑之間的關係會用「S/D」來表示

這份文獻還有提到,當 S/D=2 時火焰特性會表現得跟無邊界(Free Boundary)火焰一樣,也就是當火源與牆面的距離是火源直徑的2倍時,牆面幾乎不影響火焰,相當於將火焰擺在沒有牆的地方。因此以下若有提到 S/D=2 ,可以視為將火源放在居室中央

火焰特性(Properties of Flame)

火焰的特性包含垂直和水平方向的延伸,垂直延伸為「火焰高度」(Flame Height, Lf),水平延伸為「火焰水平延展」(Flame Extension)

火焰高度(Flame Height)

Flame and Plume Behavior in and near a Corner of Walls 這份文獻做了三次實驗,將長寬皆為0.1公尺、熱釋率為15KW的火源擺放在 S/D=0 、S/D=0.5 、S/D=2 的位置,每次試驗分別在火焰高度上下兩個位置測量溫度、畫成下面的等溫線圖

火源擺放位置
火源擺放位置
火源擺放位置

由上面三張圖可以發現,在 S/D=0 時高溫區域比 S/D=2 還高且窄,且量測到的火焰高度分別為

  • S/D=0:121公分
  • S/D=0.5:73公分
  • S/D=2:58公分

S/D=0 的火焰高度幾乎是 S/D=2 的兩倍,也就是靠角落的火焰高度會比放在居室中央的火焰還高

這份文獻也有提到當火源與牆面的距離是火源直徑的兩倍以上時,牆面對火焰高度的影響就變得很小,而牆面會造成多大的影響取決於火源的強度(熱釋率)和規模(直徑)

Fire Dynamics Series- Estimating Fire Flame Height and Radiant Heat Flux From Fire 這份文獻有提供火焰高度的計算公式,這是根據實驗數據所得的經驗公式

角落火焰高度
牆面單點火焰高度
牆面線形火焰高度

由上面的公式計算可以得知,使用相同大小、相同熱釋率的單點火源,靠角落的火焰高度會比靠牆面的火焰還高

火焰水平延展(Flame Extension)

從等溫線圖可以發現,當火源接近角落時,火焰水平延展的形狀趨向「三角形」,而當火焰愈遠離角落時形狀愈趨向「同心圓

火焰水平延展

角落使火焰形狀呈三角形,最直接的影響就是空氣捲入量火焰溫度

延伸閱讀:火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)

空氣捲入量(Air Entrainment)

火源周圍捲入的空氣會提供燃燒時需要的氧氣,使燃燒變得更完全、增加煙的量,但也會稀釋、冷卻可燃性氣體

空氣捲入

居室中央火焰沒有受任何牆面阻擋,周圍空氣可由四面八方捲入,但角落火焰因為燃燒時水平方向的形狀呈三角形,空氣僅能由兩個方向進入,因此空氣捲入量變少

空氣捲入方向

火焰溫度(Fire Plume Temperature)

角落火焰的溫度較高,主要有下列幾個原因:

  • 空氣捲入量較少,周圍空氣的降溫效果較差
  • 火焰釋放的熱量會被牆面吸收,部份的熱能會在角落的兩面牆之間,使得可燃性物質加速燃燒
  • 火焰大部分的能量(通常是65%)會以熱對流的方式被釋放,逐漸流失在環境中,但角落火焰因為形狀呈三角形,僅為居室中央火焰的1/4,因此這種熱量損失的情形較少

另外也有研究顯示,角落火焰上方的氣體溫度最高可以達到居室中央火焰上方氣體溫度的1.5倍

值得一提的是,The Influence of Walls, Corners and Enclosures on Fire Plumes 這份文獻有做一項實驗,將角落火焰與牆面火焰的距離逐漸增加時,角落火焰的溫度會顯著下降,但牆面火焰則沒有明顯下降

角落火焰溫度
牆面火焰溫度

輻射熱回饋(Heat Feedback)

角落火焰造成的危害比牆面火焰、居室中央火焰還大,因為輻射熱會在角落的兩面牆之間不斷交換,即所謂的「輻射熱回饋」。性能化法規與防火安全設計這份文獻有提到,角落火焰的熱釋放率為居室中央火焰的4倍,牆面火焰的熱釋放率則為居室中央火焰的2倍

這些額外產生的輻射熱會加速火場內可燃物的燃燒速度,降低閃燃發生的時間(Flashover Time, F.O.T)。除了輻射熱回饋以外,角落火焰的火焰溫度和火焰上方氣體溫度較高也是降低閃燃發生時間的因素

陳弘毅火災學有提到影響閃燃發生時間的其中一個因素為「點火源之尺寸與位置」,尺寸指的就是點火源的熱釋率,位置指的就是點火源是放在角落、牆面或居室中央

另外,Flame Spread and Fire Behavior in a Corner Configuration 這份文獻有提到,當牆面為可燃性或具有易燃的內襯時,角落火焰能以較低的熱釋率達到閃燃(比居室中央火焰低約30%)

延伸閱讀:
閃燃(Flashover)是什麼?閃燃和跟爆燃有什麼不同?別再傻傻分不清楚
正壓排煙會造成閃燃還是避免閃燃?這兩種理論你覺得哪個比較有道理

總結

角落、牆面如何影響火焰燃燒的特性,每個研究的方法和結論都不太一樣,但可以確定的是角落火焰的火焰高度火焰溫度火焰上方氣體溫度熱釋率等都比居室中央火焰來得高。如果下次題目問哪一個 火源擺放位置 會讓其他特性更嚴重,請記得都是「角落火焰」喔!

延伸閱讀:
火災猛烈度 (Fire Severity)是什麼?一個重要但火災學沒說清楚的概念
BOILOVER是沸溢還是濺溢?油類火災最常見的燃燒現象都在這裡
BLEVE現象是什麼?如何防止 BLEVE 的發生?最詳細的教學在這裡!
粉塵爆炸是什麼?看完這篇文章你就懂了(你所不知道的八仙塵爆秘密)

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2 thoughts on “火源擺放位置 如何影響火焰高度?為什麼火源放在角落更容易造成閃燃?!”

  1. 謝謝學長無私分享這麼多豐富詳細的筆記
    我是要準備報考111年的四等消防
    從九月報補習班到現在才看到您的文章,對我初期來說幫助非常大
    也有問題想請問學長,讀書計畫的部分您會怎麼建議安排呢?

    1. 既然你已經有報名補習班了,我會建議你就先跟著補習班的進度,把火災學、消防法規的課好好跟完
      物理化學的部分要看你的學習狀況,也有很多人沒準備物理化學,單純衝刺火災學和消防法規,一樣可以上榜
      如果你對物理化學真的很不熟,我會建議那就好好準備火災學和消防法規,如果你以前有學過只是忘記了,我覺得就可以找書或跟著補習班課程來好好準備,否則可能會每一科都不精熟

      建議你在2月底之前要將所有科目完整、確實地讀完一遍,讀的過程中必須把所有有問題、看不懂的部分都搞懂,整理自己的筆記,這對於之後記憶會很有幫助
      3月開始到考試前就要不斷練習,大量寫選擇題、申論題,藉由題目複習重點、加深印象
      在讀第一遍的時候,也可以先看看我寫過的一些考題分析,針對比較常考的部分重點記憶,觀念一定要搞懂
      如果真的覺得要讀的東西很多、不知道該從何下手,建議你就直接拿進5年的考題出來寫,你會發現很多觀念、法規一直重複出現,這樣就能很快知道哪些才是重點了

      共同科目的部分可以參考我之前寫過的文章,裡面有更詳細的說明
      如果還有其他問題也可以Email給我一起討論喔~

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