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研究生:許明智
研究生(外文):Hsu, Ming-Chih
論文名稱:以紋影技術進行建築物火場中性面高度之可視化量測
論文名稱(外文):The Measurement of the Neutral Plane Location for a Building in Compartment Fire with Schlieren Photography
指導教授:蘇崇輝蘇崇輝引用關係
指導教授(外文):Su, Chung-Hwei
口試委員:徐旭華柯佑沛蘇崇輝
口試委員(外文):Shyu, Shiuh-HwaKe, Yu-PeiSu, Chung-Hwei
口試日期:2011-07-19
學位類別:碩士
校院名稱:吳鳳科技大學
系所名稱:光機電暨材料研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:中性面可視化紋影法模型實驗火災
外文關鍵詞:Neutral PlaneVisualizationSchlieren PhotographyModelling ExperimenFire
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中性面高度為建築物火場內高溫氣流流出與戶外助燃空氣流入的分界線。中性面的高度變化情形在火災初期非常重要,對於外牆開口設計及排煙系統的有效性有很重要的影響。本研究利用紋影法作為量測中性面高度的方式,可立即觀察高度的變化。由於光線通過不同密度的流體會產生折射現象,可以將氣流的流動可視化。本研究以1:10的模型實驗進行測試。高度為2.0 m的大門開口,依據比例縮小為20 cm。實驗過程在模型內燃燒蠟燭,並使用熱電偶線量測模型開口的溫度。本研究以FDS模擬軟體模擬實體的溫度、速度、壓力等參數。利用彩色濾光片的顏色變化,有效判斷流出開口的高溫氣流位置。由研究結果證明電腦模擬的溫度、速度、壓力等結果呈現的中性面高度,與利用紋影法量測的高度非常符合。證明以紋影法判斷中性面高度的變化確實為可行的技術。利用紋影技術將可以作為後續排煙系統控制策略有效性的判斷依據。
The height location of neutral plane is a demarcation line for high-temperature air flowing out a building and fresh air flowing in while a fire happening. The height variation of the neutral plane is an important observing indicator in early stage of a fire. It is significance for the design of wall openings and the effectiveness of smoke exhaust systems in buildings. The method, measuring the height of neutral plane with schlieren photography method, will be able to observe the height variation in this study. The flowing air will be observed immediately by visualization since the light is refracted through the different density of the fluid. The scale of experimental model is 1:10. The opening is reduced to 20 cm according to the proportion to a 2.0 m high door originally. Some candles were burning and the thermocouples are used to measure the temperature distribution around the opening of a model building during the experiment. The temperature, velocity, pressure and other parameters of air around opening in prototype are simulated by FDS software in this study. The high-temperature air flowing out openings will is effectively determined by color variation on the color filters. The results show that the measured height of neutral plane by using schlieren photography method is very close with the one obtained by the computer simulation in temperature, velocity, pressure, etc. parameters in compartment fire. The results demonstrate that the height variation of the neutral plane determined by this method is indeed effective technique. In the future, the use of schlieren photography method will be effectiveness for determining the control strategies of smoke exhaust systems in buildings.
摘要 Ⅰ
誌謝 Ⅱ
目錄 Ⅲ
表目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅵ
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 3
1.3研究方法與流程 4
1.4文獻回顧 6
1.4.1紋影法的應用 6
1.4.2縮小模型 8
1.4.3數值模擬與中性面探討 10
第二章 理論分析 11
2.1火與煙的特性 11
2.1.1火源成長理論 11
2.1.2火源設計 13
2.2中性面理論 16
2.3縮小尺度模型理論 17
2.3.1模型研究及相似定理 18
2.3.2物理模型理論說明 20
2.4數值理論(電腦模擬) 21
2.5紋影攝影術 26

2.5.1紋影法介紹 26
2.5.2光學性質分析 27
第三章 實驗設備及實驗方法 30
3.1紋影法設備解說 30
3.2實驗設備介紹 30
3.3實驗方法 33
3.3.1模型製作 33
3.3.2電腦模擬說明 34
第四章 結果與討論 35
4.1電腦模擬結果 35
4.2模型實驗結果 39
4.3紋影攝影與電腦模擬對照 40
4.4開口位置對中性面影響 45
4.5開口大小對中性面影響 56
4.6小結 64
第五章 結論與建議 66
5.1結論 66
5.2建議 68
參考文獻 69
附錄 72

表目錄
表1.1火源穩定熱釋放率模擬結果 9
表2.1穩定火源參考設計基準量 13
表2.2火源成長係數與成長時間 15
表2.3原型和模型參數比例 21
表4.1電腦模擬與模型名稱對照表 37
表4.2電腦模擬風速 37
表4.3電腦模擬溫度 37
表4.4電腦模擬壓力 37
表4.5實驗溫度 37
表4.6開口1的溫度分佈 48
表4.7開口2的溫度分佈 48
表4.8開口3的溫度分佈 48
表4.9開口率2% 實驗溫度值 58
表4.10開口率3% 實驗溫度值 58


圖目錄
圖1.1煙囪效應與逆煙囪效應 2
圖1.2(a)橫型窗、(b)縱形窗 2
圖1.3實驗研究流程 5
圖1.4 Mercier & Jaluria實驗裝置示意圖 7
圖1.5垂直面燃燒結果照片 7
圖2.1建築物火災成長過程 11
圖2.2 NFPA92B及NFPA 72所界定火源之不同成長時間 15
圖2.3中性帶理論示意圖 16
圖2.4 FDS與SmokeView組織架構圖 25
圖2.5單面鏡紋影法光路 26
圖2.6雙面鏡紋影法光路 26
圖2.7光在非均勻介質的繞射 27
圖3.1實驗用三腳架 32
圖3.2電源供應器 32
圖3.3實驗用投影機 32
圖3.4實驗用投影布幕 32
圖3.5凹面鏡 32
圖3.6實驗用攝影機 32
圖3.7實驗用單眼相機 32
圖3.8熱電偶溫度量測設備 32
圖3.9模型示意圖 33
圖3.10壓克力板尺 33
圖3.11模型開口位置 33
圖3.12電腦模擬模型 34
圖4.1 FDS風速曲線圖 38
圖4.2 FDS溫度曲線圖 38
圖4.3 FDS壓力曲線圖 38
圖4.4實驗溫度曲線圖 38
圖4.5模型實驗,時間=10秒 41
圖4.6電腦模擬,時間=30秒 41
圖4.7模型實驗,時間=20秒 42
圖4.8電腦模擬,時間=60秒 42
圖4.9模型實驗,時間=30秒 43
圖4.10電腦模擬,時間=90秒 43
圖4.11模型實驗,時間=40秒 44
圖4.12電腦模擬,時間=120秒 44
圖4.13開口位置分佈 45
圖4.14開口1溫度曲線 49
圖4.15開口2溫度曲線 49
圖4.16開口3溫度曲線 49
圖4.17開口1 時間=30 sec中性面位置 50
圖4.18開口1 時間=60 sec中性面位置 50
圖4.19開口1 時間=90 sec中性面位置 51
圖4.20開口1 時間=120 sec中性面位置 51
圖4.21開口2 時間=30 sec中性面位置 52
圖4.22開口2 時間=60 sec中性面位置 52
圖4.23開口2 時間=90 sec中性面位置 53
圖4.24開口2 時間=120 sec中性面位置 53
圖4.25開口3 時間=30 sec中性面位置 54
圖4.26開口3 時間=60 sec中性面位置 54
圖4.27開口3 時間=90 sec中性面位置 55
圖4.28開口3 時間=120 sec中性面位置 55
圖4.29模型開口率2% 58
圖4.30模型開口率3% 58
圖4.31開口率2% 實驗溫度曲線 59
圖4.32開口率3% 實驗溫度曲線 59
圖4.33開口率2% 時間=30 sec 中性面位置 60
圖4.34開口率2% 時間=30 sec 中性面位置 60
圖4.35開口率2% 時間=60 sec 中性面位置 61
圖4.36開口率3% 時間=60 sec 中性面位置 61
圖4.37開口率2% 時間=90 sec 中性面位置 62
圖4.38開口率3% 時間=90 sec 中性面位置 62
圖4.39開口率2% 時間=120 sec 中性面位置 63
圖4.40開口率3% 時間=120 sec 中性面位置 63

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