Experimental investigation of externally venting flames geometric characteristics and impact on the façade of corridor-like enclosures

Understanding of the physics and mechanisms of fire development and externally venting flames (EVF) in corridor-like enclosures is fundamental to studying fire spread to adjacent floors in high-rise buildings. This work aims to investigate the burning behaviour of a liquid fuel pool fire in a corridor-like enclosure and to identify the key factors influencing EVF characteristics and its impact on façades. A series of experiments is conducted in a medium-scale corridor-facade configuration using ethanol pool fires. A new fuel supply system has been developed to keep the fuel level constant to minimize lip effects. The influence of fuel surface area and ventilation factor on the fire development is also investigated. Experimental measurements consist of mass loss, heat release rate, temperatures and heat fluxes inside the corridor and on the facade. Three distinct burning regions are observed and their characteristics depend on both the pan size and ventilation factor. A power dependence of EVF height in relation to excess external heat release rate has been found. The impact of EVF on the façade is investigated by measuring heat flux on the façade using thin steel plate probes. It is found that the characteristics of EVF strongly depend on opening dimensions and for large opening widths EVF tend to emerge from the opening as two separate fire plumes

Characteristics of Externally Venting Flames and Their Effect on the Façade: A Detailed Experimental Study

In a compartment fire, externally venting flames (EVF) may significantly increase the risk of fire spreading to adjacent floors or buildings; EVF-induced risks are constantly growing due to the ever-increasing trend of using combustible materials in building facades. The main aim of this work is to investigate the fundamental physical phenomena associated with EVF and the factors influencing their dynamic development. In this context, a series of fire tests is conducted in a medium-scale compartment-façade configuration; an n-hexane liquid pool fire is employed, aiming to realistically simulate an “expendable” fire source. A parametric study is performed by varying the fire load density (127.75, 255.5 and 511 MJ/m2) and ventilation factor (0.071 and 0.033 m3/2). Emphasis is given to characterization of the thermal field developing adjacent to the façade wall. Experimental results suggest that the three characteristic EVF phases, namely “internal flaming”, “intermittent flame ejection” and “consistent external flaming”, are mainly affected by the opening dimensions, whereas the fuel load has a notable impact on the fuel consumption rate and heat flux to the façade. Fuel consumption rates were found to increase with increasing fire load and opening area, whereas the global equivalence ratio increases with decreasing opening factor. The obtained extensive set of experimental data can be used to validate CFD fire models as well as to evaluate the accuracy of available fire design correlations

Numerical investigation of externally venting flame characteristics in a corridor-façade configuration

This study investigates numerically the burning behaviour of a liquid pool fire in a medium-scale corridor-like enclosure in order to identify the key factors influencing External Venting Flames (EVF) characteristics as well as heat impact of the EVF on façades. Simulations were performed for four door-like openings with the fire located either at the front or back of the enclosure and the predicted gas temperatures and heat fluxes are analysed and compared with experimental data. Results show that FDS generally predicts accurately the gas temperature inside the corridor and captures well the detachment and propagation of the flame when the burner is positioned at the back of the corridor. The heat fluxes on the floor of the corridor are reasonably predicted in terms of both trends and maximum values for the cases where the fire is located at the back of corridor but generally under-predicted for the test cases where the burner is located at the front. Though similar trends, the predicted heat fluxes on the façade are considerably lower than the measurements highlighting the importance of accurate prediction of the burning characteristics of the EVF on the heat impact on the facade

Experimental investigation of external fire characteristics in a compartment-façade configuration

Κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς σε ένα κτίριο ένας από τους κινδύνους που σχετίζονται άμεσα με την εξάπλωση της φωτιάς από όροφο σε όροφο ή από κτίριο σε κτίριο είναι το πλούμιο της φωτιάς που εξέρχεται του κτιρίου. Προκειμένου να μπορεί να εξασφαλισθεί αποτελεσματικότερη πρόληψη των πυρκαγιών είναι πολύ σημαντικό να κατανοηθεί και να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά και οι παράγοντες που επηρεάζουν το εξερχόμενο πλούμιο της φωτιάς από διαμερίσματα καθώς και η επίδραση που μπορεί να έχει στην πρόσοψη των κτιρίων. Είναι γνωστό ότι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και την εξέλιξη του εξερχόμενου πλουμίου της φωτιάς είναι η ισχύς του πυροθερμικού φορτίου εσωτερικά του δωματίου, η γεωμετρία του ανοίγματος από όπου εξέρχεται και ο αερισμός του δωματίου. Με σκοπό την μελέτη του φαινομένου υπό συνθήκες μη εξαναγκασμένου αερισμού στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνήθηκε πειραματικά η εξάπλωση της φωτιάς σε διάταξη διαμερίσματος-πρόσοψης σχεδιασμένα υπό κλίμακα. Αρχικά, όπως παρουσιάζονται στο πρώτο κεφάλαιο, μελετήθηκαν αναλυτικά οι παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του εξερχόμενου πλουμίου της φωτιάς σε περίπτωση πυρκαγιάς σε διαμέρισμα. Παρουσιάζονται οι υπάρχοντες θεωρητικοί και εμπειρικοί τύποι που υπάρχουν για την μελέτη των χαρακτηριστικών της φωτιάς, με έμφαση στις φωτιές κηλίδας υγρού καυσίμου οι οποίες αποτέλεσαν τη βάση των πειραμάτων που ακολούθησαν. Τέλος, παρουσιάζονται οι συνθήκες εξάπλωσης της φωτιάς σε περιπτώσεις περίσσειας καυσίμου ή περίσσειας αέρα. Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται βιβλιογραφική ανασκόπηση των ήδη υπαρχόντων πειραματικών μελετών που αφορούν πειράματα φωτιάς μικρής, μεσαίας και μεγάλης κλίμακας με έμφαση στην παρουσίαση αυτών που επικεντρώνονται στην μελέτη των χαρακτηριστικών της φωτιάς εκτός του δωματίου. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται πλήρης παρουσίαση των χαρακτηριστικών του κάθε πειράματος. Γίνεται περιγραφή των πειραματικών διατάξεων, ενώ παράλληλα περιγράφεται ο τρόπος που κατασκευάστηκε η διάταξη του δωματίου-πρόσοψης μεσαίας κλίμακας που χρησιμοποιήθηκε. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά, ο τρόπος λειτουργίας και η τοποθέτηση των μετρητικών διατάξεων, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στις πειραματικές διατάξεις των πειραμάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του κυρίως αντικειμένου της μελέτης αυτής. Περιγράφεται η διεξαγωγή των πειραμάτων και παρουσιάζονται οι μετρήσεις της θερμοκρασίας στο εσωτερικό και εξωτερικό του δωματίου, οι θερμοκρασίες και η ροή θερμότητας στην πρόσοψη, ο ρυθμός απώλειας μάζας του καυσίμου και οι συγκεντρώσεις τοξικών αερίων και οξυγόνου εκτός του δωματίου για κάθε πείραμα. Οι κύριες παράμετροι που μελετώνται είναι το πως επηρεάζουν η ισχύς της φωτιάς εντός του δωματίου, η γεωμετρία του ανοίγματος και η θέση του δοχείου του καυσίμου την ανάπτυξη του εξερχόμενου πλουμίου της φωτιάς από το διαμέρισμα και η επίδραση που έχει στην πρόσοψη. Με αναδιάταξη των θερμοστοιχείων εκτός του δωματίου έγινε επιπλέον, προσπάθεια καθορισμού του κεντρικού άξονα μέγιστης θερμοκρασίας του εξερχόμενου πλουμίου της φωτιάς και πως επηρεάζεται από τη γεωμετρία του ανοίγματος. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν κατά την παρουσίαση όλων των μετρήσεων και της μελέτης για την επίδραση των παραμέτρων που προηγήθηκαν.Spread of fire is a crucial hazard during a fire in any building. Fire’s plume is one of the most important parameters of fire spread, having crucial influence on building’s façade. So, to ensure effective fire prevention, it is very important to understand and study all the factors and characteristics that effect on fire plume. It is known that the main factors which affect the geometrical characteristics of fire’s plume are fire load, the geometry of the opening where plume comes out of the room and the ventilation of the room. The present work is an experimental study of fire spread in a reduced scale room-façade configuration in under-ventilated conditions. In first chapter are studied in detail the factors affecting the characteristics of exhaust fire’s plume in case of a fire in an enclosure. There are also given all the theoretical and empirical formulas available for the study of fire characteristics, with emphasis on liquid pool fires which were the basis of the experiments followed. Finally, there is a presentation of fire spread’s conditions in the event of excess fuel or excess air. In the second chapter a literature review of existing experimental studies is performed, involving fire experiments in small, medium and large scale configurations, with emphasis on the presentation of these focused on the study of external fire’s characteristics. In third chapter there is a presentation in detail of all the characteristics of each experiment. The experimental rig which used in the experiments was a ¼ reduced scale of ISO9705 room, with a façade adjusted on the opening’s wall. There is also a description of the way it constructed and the technical specifications of the measuring devices which were used. Liquid hexane was used as fuel in all experiments. The main object of this study is presented in fourth chapter. The experiments which were conducted are described, as also given a presentation of measurements. That includes temperature measurements inside and outside of the enclosure, temperatures and heat flux on the façade, mass loss and mass loss rate of the fuel and gas species concentration. The main factors studied are the fire power, the geometry of the opening and the position of the fuel pan inside the enclosure. There was also an effort to determine the centreline of fire plume and how it influenced by the opening’s geometry. In last chapter are given general conclusions from the experiments that conducted, regarding all the factors were studied.Κωνσταντίνος Ε. Χοτζόγλο