Fire safety engineering -- Requirements governing algebraic equations -- Ceiling jet flows

The requirements of ISO 16736:2006 govern the application of explicit algebraic equation sets to the calculation of specific characteristics of ceiling jet flows. ISO 16736:2006 is an implementation of the general requirements provided in ISO/TR 13387-3 for the case of fire dynamics calculations involving sets of explicit algebraic equations. ISO 16736:2006 is arranged in the form of a template, where specific information relevant to algebraic ceiling-jet-flow equations is provided to satisfy the following types of general requirements: description of physical phenomena addressed by the calculation method; documentation of the calculation procedure and its scientific basis; limitations of the calculation method; input parameters for the calculation method; domain of applicability of the calculation method. Examples of sets of algebraic equations meeting all the requirements of ISO 16736:2006 are provided for each different type of ceiling jet flow, including those for quasi-steady state axisymmetric ceiling jet flows.

Ingénierie de la sécurité incendie -- Exigences régissant les équations algébriques -- Écoulements en jet sous plafond

L'ISO 16736:2006 spécifie des exigences qui régissent l'application d'ensembles de formules algébriques explicites pour le calcul de caractéristiques spécifiques des écoulements en jet sous plafond. L'ISO 16736:2006 est une mise en oeuvre des exigences générales établies dans l'ISO/TR 13387-3 pour le cas de calculs dynamiques d'incendie associant des ensembles de formules algébriques explicites. L'ISO 16736:2006 est organisée est organisée sous forme d'un modèle, où les informations spécifiques relatives aux formules algébriques des écoulements en jet sous plafond sont fournies pour répondre aux types suivants d'exigences générales: description de phénomènes physiques abordés par la méthode de calcul; documentation du mode opératoire de calcul et sa base scientifique; limites de la méthode de calcul; paramètres d'entrée pour la méthode de calcul; domaine d'application de la méthode de calcul. Des exemples d'ensembles de formules algébriques répondant à toutes les exigences de l'ISO 16736:2006 seront fournis dans des annexes séparées à celle-ci pour chaque type d'écoulement en jet sous plafond. Actuellement, il existe une annexe informative contenant des formules algébriques pour des écoulements en jet sous plafond à l'état quasi stationnaire et axisymétriques.

General Information

Status
Published
Publication Date
28-Jun-2006
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
17-Mar-2006
Completion Date
29-Jun-2006
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ISO 16736:2006 - Fire safety engineering -- Requirements governing algebraic equations -- Ceiling jet flows
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ISO 16736:2006 - Ingénierie de la sécurité incendie -- Exigences régissant les équations algébriques -- Écoulements en jet sous plafond
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16736
First edition
2006-07-01
Fire safety engineering — Requirements
governing algebraic equations — Ceiling
jet flows
Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les équations
algébriques — Écoulements en jet sous plafond
Reference number
ISO 16736:2006(E)
ISO 2006
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 16736:2006(E)
PDF disclaimer

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Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 16736:2006(E)
Contents Page

Foreword............................................................................................................................................................ iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Scope ..................................................................................................................................................... 1

2 Normative references ........................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions........................................................................................................................... 1

4 Requirements governing description of physical phenomena........................................................ 2

5 Requirements governing documentation........................................................................................... 2

6 Requirements governing limitations .................................................................................................. 2

7 Requirements governing input parameters ....................................................................................... 2

8 Requirements governing domain of applicability ............................................................................. 3

Annex A (informative) Equations for quasi-steady state, axisymmetric ceiling jet flows .......................... 4

Bibliography ..................................................................................................................................................... 16

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ISO 16736:2006(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies

(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent

rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

ISO 16736 was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 4, Fire safety

engineering.
iv © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 16736:2006(E)
Introduction

This International Standard is intended to be used by fire safety practitioners who employ fire safety

engineering calculation methods. Examples include fire safety engineers; authorities having jurisdiction, such

as territorial authority officials; fire-service personnel; code enforcers; and code developers. It is expected that

users of this International Standard are appropriately qualified and competent in the field of fire safety

engineering. It is particularly important that users understand the parameters within which particular

methodologies can be used.

Algebraic equations conforming to the requirements of this International Standard are used with other

engineering calculation methods during fire safety design. Such design is preceded by the establishment of a

context, including the fire safety goals and objectives to be met, as well as performance criteria when a

tentative fire safety design is subject to specified design fire scenarios. Engineering calculation methods are

used to determine if these performance criteria are met by a particular design and if not, how the design can

be modified.

The subjects of engineering calculations include the fire-safe design of entirely new built environments, such

as buildings, ships or vehicles as well as the assessment of the fire safety of existing built environments.

The algebraic equations discussed in this International Standard are very useful for quantifying the

consequences of design fire scenarios. Such equations are particularly valuable for allowing the practitioner to

determine very quickly how a tentative fire safety design should be modified to meet performance criteria

agreed-upon, without having to spend time on detailed numerical calculations until the stage of final design

documentation. In this respect, the equations for ceiling jet flows can be used for estimating the response time

of fire detectors and the first activated sprinklers, as well as the time for damage to some structural elements

(e.g., plastic roof- or sky-lights).

The algebraic equations discussed in this International Standard are essential for checking the results of

comprehensive numerical models that calculate fire growth and its consequences.
© ISO 2006 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 16736:2006(E)
Fire safety engineering — Requirements governing algebraic
equations — Ceiling jet flows
1 Scope

1.1 The requirements in this International Standard govern the application of explicit algebraic equation sets

to the calculation of specific characteristics of ceiling jet flows.

1.2 This International Standard is an implementation of the general requirements provided in

ISO/TR 13387-3 for the case of fire dynamics calculations involving sets of explicit algebraic equations.

1.3 This International Standard is arranged in the form of a template, where specific information relevant to

algebraic ceiling jet flows equations is provided to satisfy the following types of general requirements:

a) description of physical phenomena addressed by the calculation method;
b) documentation of the calculation procedure and its scientific basis;
c) limitations of the calculation method;
d) input parameters for the calculation method;
e) domain of applicability of the calculation method.

1.4 Examples of sets of algebraic equations meeting all the requirements of this International Standard are

provided in separate annexes to this International Standard for each different type of ceiling jet flow. Currently,

there is one informative annex containing algebraic equations for quasi-steady state, axisymmetric ceiling jet

flows.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.

ISO/TR 13387-3, Fire safety engineering — Part 3: Assessment and verification of mathematical fire models

ISO 13943, Fire safety — Vocabulary
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943 apply.

NOTE See Annex A for the terms and definitions specific to that annex.
© ISO 2006 – All rights reserved 1
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ISO 16736:2006(E)
4 Requirements governing description of physical phenomena

4.1 General types of source fires, flow boundary (including symmetry) conditions and other scenario

elements to which the analysis is applicable shall be described with the aid of diagrams.

4.2 Ceiling jet flow characteristics to be calculated and their useful ranges shall be clearly identified,

including those characteristics inferred by association with calculated quantities (e.g., the association of

smoke concentration with excess gas temperature based on the analogy between energy and mass

conservation) and those associated with radiant heat transfer to targets remote from the ceiling jet flow, if

applicable.

4.3 Regions of the ceiling jet flow (whether or not in the plume turning region, degree of fire-source

influence, etc.) to which specific equations apply shall be clearly identified.

4.4 Because different algebraic equations describe different ceiling jet flow characteristics (see 4.2) or apply

to different ceiling jet flow regions (see 4.3), it shall be shown that if there is more than one method to

calculate a given quantity, the result is independent of the method used.
5 Requirements governing documentation
5.1 General requirements governing documentation can be found in ISO/TR 13387-3.

5.2 The procedure to be followed in performing calculations shall be described through a set of algebraic

equations.

5.3 Each equation shall be presented in a separate subclause containing a phrase that describes the

function of the equation, explanatory notes and limitations unique to the equation being presented.

5.4 Each variable in the equation set shall be clearly defined, along with appropriate SI units, although

equation versions with dimensionless coefficients are preferred.

5.5 The scientific basis for the equation set shall be provided through reference to recognized handbooks,

the peer-reviewed scientific literature or through derivations, as appropriate.

5.6 Examples shall demonstrate how the equation set is evaluated using values for all input parameters

consistent with the requirements in Clause 4.
6 Requirements governing limitations

6.1 Quantitative limits on direct application of the algebraic equation set to calculate output parameters,

consistent with the scenarios described in Clause 4, shall be provided.

6.2 Cautions on the use of the algebraic equation set within a more general calculation method shall be

provided, which shall include checks of consistency with the other relations used in the calculation method

and the numerical procedures employed. For example, the use of a given equation set for ceiling jet flows in a

zone model can yield different results from another equation set for plume flows in the zone model, where the

plume and ceiling jet zones connect, leading to errors.
7 Requirements governing input parameters
7.1 Input parameters for the set of algebraic equations shall be described.

7.2 Sources of data for input parameters shall be identified or provided explicitly within the International

Standard.

7.3 The valid ranges for input parameters shall be listed as specified in ISO/TR 13387-3.

2 © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 16736:2006(E)
8 Requirements governing domain of applicability

8.1 One or more collections of measurement data shall be identified to establish the domain of applicability

of the equation set. These data shall have level of quality (e.g., repeatability, reproducibility) assessed through

a documented/standardized procedure [see ISO 5725 (all parts)].

8.2 The domain of applicability of the algebraic equations shall be determined through comparison with the

measurement data of 8.1, following the principles of assessment, verification and validation of calculation

methods.

8.3 Potential sources of error that limit the set of algebraic equations to the specific scenarios given in

Clause 4 shall be identified, for example, the assumption that flaming combustion is not present in the ceiling

jet flow.
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ISO 16736:2006(E)
Annex A
(informative)
Equations for quasi-steady state, axisymmetric ceiling jet flows
A.1 Terms and definitions used in Annex A
The terms and definitions given in ISO 13943 and the following apply.
A.1.1
axisymmetric

mean motion and properties, such as mean temperature rise, are symmetric with respect to a vertical

centreline
A.1.2
built environment
any building, structure or transportation vehicle

EXAMPLE Structures other than buildings include tunnels, bridges, offshore platforms and mines.

A.1.3
ceiling

highest elevation boundary of the enclosed space in any built environment, such as a room in a building or a

cabin in a vehicle
A.1.4
ceiling jet

gas motion in a layer beneath the surface of a ceiling, driven by the buoyancy of hot gases from fire plume

impingement on the ceiling
A.1.5
characteristic depth of ceiling jet temperature profile

depth below the ceiling surface, at a given radius, r, at which the mean temperature rise above ambient in the

ceiling jet flow becomes a factor of e times the maximum mean temperature rise at that radius

A.1.6
characteristic depth of ceiling jet velocity profile

depth below the ceiling surface, at a given radius, r, at which the mean gas velocity in the ceiling jet flow

becomes a factor of e times the maximum mean gas velocity at that radius
A.1.7
combustion efficiency factor

ratio of the heat of combustion measured under specific fire test conditions to the net heat of combustion

A.1.8
convective fraction
ratio of the convective heat release rate to the heat release rate
A.1.9
convective heat flux

rate of heat transfer per unit area of a target surface due to the motion of a gas, such as the ceiling jet flow

A.1.10
convective heat release rate
component of the heat release rate carried upward by the fire plume motion

NOTE Above the mean flame height, this component is considered invariant with height.

4 © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 16736:2006(E)
A.1.11
fire plume

upward turbulent fluid motion generated by a source of buoyancy that exists by virtue of combustion and often

includes a lower flaming region
A.1.12
fire plume turning region

flow area in which there is a transition from a plume flow to a ceiling jet flow, defined by a ratio of radial

distance to effective ceiling height, H − z , equal to 0,15 to 0,2
A.1.13
fire source diameter

effective diameter of the fire source, equal to the actual diameter for a circular source or the diameter of a

circle having an area equal to the plan area of a non-circular source
A.1.14
flame
luminous region of fire plume associated with combustion
A.1.15
fuel mass burning rate
mass generation rate of fuel vapours
A.1.16
heat release rate

rate at which heat is actually being released by a source of combustion (such as the fire source)

A.1.17
jet flame
flame that is dominated by momentum, rather than buoyancy, forces
A.1.18
mean flame height

time-average height of flames above the base of a fire, defined as the elevation where the probability of

finding flames is 50 %
A.1.19
mean gas velocity
time-average gas velocity in the ceiling jet flow at a given radial distance, r
A.1.20
mean temperature rise

time-average gas temperature increase above the ambient temperature value in the ceiling jet flow, at a given

radial distance, r
A.1.21
net heat of combustion

amount of heat generated per unit mass lost by a material when exposed to specific fire test conditions

A.1.22
quasi-steady state

assumption that the full effects of heat release rate changes at the fire source are felt everywhere in the flow

field immediately
A.1.23
radiant energy release factor

ratio of the combustion heat released in a fire as thermal radiation to the net heat of combustion

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ISO 16736:2006(E)
A.2 Symbols and abbreviated terms used in Annex A
A ceiling plan area (m )
A fire source plan area (m )
D fire source diameter (m)
e base of natural logarithms
g acceleration due to gravity (m⋅s )
−2 −1
h convective heat transfer coefficient (kW⋅m ⋅K )
∆H net heat of combustion (kJ⋅kg )
L mean flame height above base of fire source (m)
l characteristic depth of ceiling jet temperature profile
l characteristic depth of ceiling jet velocity profile
m fuel mass burning rate (kg⋅s )
p absolute air pressure (kPa)
q convective heat flux (kW⋅m )
Q heat release rate actually measured or specified (kW)
Q convective heat release rate (kW)
Ra plume Rayleigh number (−)
r radial distance from plume centreline (m)
T ambient temperature (K)
y vertical distance below ceiling (m)
z height of ceiling above base of fire source (m)
z height of virtual origin above base of fire source (m)
∆T mean temperature rise (K)

∆T ceiling temperature rise above the ambient value at a given radial position (K)

∆T maximum mean temperature rise (K)
max
V maximum mean gas velocity (m⋅s )
max
α convective fraction of heat release rate, 1− (−)
χ combustion efficiency factor (−)
χ radiant energy release factor (−)
2 −1
ν kinematic viscosity of air (m⋅s )
θ maximum slope angle of the ceiling surface (rad)
6 © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 16736:2006(E)
A.3 Description of physical phenomena addressed by the equation set
A.3.1 Selected properties of ceiling jet flows

Selected properties of axisymmetric, quasi-steady state ceiling jet flows are calculated.

A.3.2 Scenario elements to which the equation set is applicable

The set of equations is applicable to the impingement on essentially flat, unobstructed ceilings of fire plumes

from quasi-steady state fire sources that are approximately circular or square in plan area. The fire source

should be a horizontal, upward-facing burning surface or a three-dimensional burning array for which the

mean flame height is more than 110 % of the array height yet less than 10 % of the total ceiling height above

the base of the fire source.
A.3.3 Ceiling jet flow characteristics to be calculated

Equations provide maximum gas temperatures and maximum gas velocities for locations at a radius from the

plume vertical centreline (symmetry axis). Characteristic ceiling jet flow depth and rates of convective heat

transfer to the ceiling are also calculated.
A.3.4 Ceiling jet flow regions to which equations apply

A distinction is made between the flow within or at the exit of the plume turning region and the flow outside of

the plume-turning region, with different equations applicable within and outside of this region.

A.3.5 Self-consistency of the equation set

The set of equations provided in this annex have been derived and reviewed by R.L. Alpert (see Clause A.5)

to ensure that calculation results from different equations in the set are consistent (i.e., do not produce

conflicts).
A.3.6 Standards and other documents where the equation set is used
[8]

The equation set is discussed in the SFPE Handbook of Fire Protection Engineering .

A.4 Equation-set documentation
A.4.1 Mean maximum ceiling jet temperature rise at radius, r

A.4.1.1 The mean maximum ceiling jet temperature rise, ∆T , within the plume turning region,

max
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 16736
Première édition
2006-07-01
Ingénierie de la sécurité incendie —
Exigences régissant les équations
algébriques — Écoulements en jet sous
plafond
Fire safety engineering — Requirements governing algebraic
equations — Ceiling jet flows
Numéro de référence
ISO 16736:2006(F)
ISO 2006
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ISO 16736:2006(F)
PDF – Exonération de responsabilité

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l'exploitation de ce fichier par les comités membres de l'ISO. Dans le cas peu probable où surviendrait un problème d'utilisation,

veuillez en informer le Secrétariat central à l'adresse donnée ci-dessous.
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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit

de l'ISO à l'adresse ci-après ou du comité membre de l'ISO dans le pays du demandeur.

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Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2006 – Tous droits réservés
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ISO 16736:2006(F)
Sommaire Page

Avant-propos..................................................................................................................................................... iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Domaine d'application.......................................................................................................................... 1

2 Références normatives ........................................................................................................................ 1

3 Termes et définitions............................................................................................................................ 1

4 Exigences régissant la description de phénomènes physiques ..................................................... 2

5 Exigences régissant la documentation .............................................................................................. 2

6 Exigences régissant les limites........................................................................................................... 2

7 Exigences régissant les paramètres d'entrée.................................................................................... 3

8 Exigences régissant le domaine d'application.................................................................................. 3

Annexe A (informative) Équations pour des écoulements en jet sous plafond quasi stationnaires

et axisymétriques.................................................................................................................................. 4

Bibliographie .................................................................................................................................................... 17

© ISO 2006 – Tous droits réservés iii
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ISO 16736:2006(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée

aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du

comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non

gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec

la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 2.

La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes

internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur

publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres

votants.

L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne

pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.

L'ISO 16736 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 4, Ingénierie

de la sécurité incendie.
iv © ISO 2006 – Tous droits réservés
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ISO 16736:2006(F)
Introduction

La présente Norme internationale est destinée à être utilisée par des spécialistes de la sécurité incendie qui

se servent de méthodes de calcul technique de sécurité incendie. Ce sont notamment des ingénieurs sécurité

incendie; des autorités ayant compétence, comme des responsables de l'autorité territoriale; du personnel

des services incendie; des responsables de l'application et de l'élaboration de codes. Les utilisateurs de la

présente Norme internationale sont censés être suffisamment qualifiés et compétents dans le domaine de la

technique de la sécurité incendie. Il est particulièrement important que les utilisateurs comprennent les

paramètres selon lesquels des méthodologies particulières peuvent être utilisées.

Des équations algébriques conformes aux exigences de la présente Norme internationale sont utilisées avec

d'autres méthodes de calcul lors de la conception de la sécurité incendie. Cette conception est précédée par

la mise en place d'un contexte intégrant les objectifs à remplir en matière de sécurité incendie ainsi que des

critères de performance lorsqu'une ébauche de conception de sécurité incendie est soumise à des scénarios

spécifiques d'incendies de référence. Les méthodes de calcul sont utilisées pour définir si ces critères de

performance sont satisfaits par une conception particulière et si ce n'est pas le cas, comment la conception

devrait être modifiée.

Les sujets des calculs techniques incluent la conception en sécurité incendie d'environnements construits

entièrement nouveaux, comme des bâtiments, des navires ou des véhicules, ainsi que l'évaluation de la

sécurité incendie de bâtiments construits existants.

Les équations algébriques évoquées dans la présente Norme internationale sont très utiles pour quantifier les

conséquences de scénarios d'incendies de référence. Ces équations sont particulièrement précieuses pour

permettre au spécialiste de déterminer très rapidement comment il convient de modifier une ébauche de

conception de sécurité incendie pour qu'elle satisfasse à des critères de performance, sans avoir à passer du

temps sur des calculs numériques détaillés jusqu'à l'étape de la documentation finale de la conception. À cet

égard, les équations pour les écoulements en jet sous plafond peuvent être utilisées pour estimer le délai de

réponse des détecteurs d'incendie et des premiers sprinkleurs activés, ainsi que la durée du dommage pour

certains éléments structurels (par exemple toit en plastique ou puits de lumière).

Les équations algébriques évoquées dans la présente Norme internationale sont essentielles pour vérifier les

résultats de modèles numériques complets qui calculent le développement d'un incendie et ses

conséquences.
© ISO 2006 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 16736:2006(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les
équations algébriques — Écoulements en jet sous plafond
1 Domaine d'application

1.1 Les exigences de la présente Norme internationale régissent l'application d'ensembles d'équations

algébriques explicites pour le calcul de caractéristiques spécifiques des écoulements en jet sous plafond.

1.2 La présente Norme internationale est une mise en œuvre des exigences générales établies dans

l'ISO/TR 13387-3 pour le cas de calculs dynamiques d'incendie, associant des ensembles d'équations

algébriques explicites.

1.3 La présente Norme internationale est organisée sous forme d'un modèle, où les informations

spécifiques relatives aux équations algébriques des écoulements en jet sous plafond sont fournies pour

répondre aux types suivants d'exigences générales:
a) description de phénomènes physiques abordés par la méthode de calcul;
b) documentation du mode opératoire de calcul et sa base scientifique;
c) limites de la méthode de calcul;
d) paramètres d'entrée pour la méthode de calcul;
e) domaine d'application de la méthode de calcul.

1.4 Des exemples d'ensembles d'équations algébriques répondant à toutes les exigences de la présente

Norme internationale seront fournis dans des annexes séparées de celle-ci pour chaque type d'écoulement

en jet sous plafond. Actuellement, il existe une annexe informative contenant des équations algébriques pour

des écoulements en jet sous plafond à l'état quasi stationnaire et axisymétriques.

2 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).

ISO/TR 13387-3, Ingénierie de la sécurité contre l'incendie — Partie 3: Évaluation et vérification des modèles

mathématiques
ISO 13943, Sécurité au feu — Vocabulaire
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943 s'appliquent.

NOTE Voir l'Annexe A pour les termes et définitions spécifiques à cette annexe.
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ISO 16736:2006(F)
4 Exigences régissant la description de phénomènes physiques

4.1 Des types généraux d'incendies sources, de conditions de limite d'écoulement (notamment la symétrie)

et d'autres éléments de scénarios auxquels l'analyse est applicable doivent être décrits à l'aide de

diagrammes.

4.2 Les caractéristiques des écoulements en jet sous plafond à calculer et leurs plages utiles doivent être

clairement définis, notamment les caractéristiques déduites par association avec des quantités calculées (par

exemple l'association de concentration de fumée avec une température de gaz excédentaire, basée sur

l'analogie entre l'énergie et la conservation de la masse) et celles associées à l'échange thermique rayonnant

vers des cibles éloignées de l'écoulement en jet sous plafond, le cas échéant.

4.3 Les régions de l'écoulement en jet sous plafond (qu'elles soient ou non dans la région de rotation du

panache, le degré de l'influence de la source d'incendie, etc.) auxquelles des équations spécifiques

s'appliquent doivent être clairement définies.

4.4 Du fait que des équations différentes décrivent des caractéristiques différentes d'écoulement en jet

sous plafond (voir 4.2) ou s'appliquent à des régions différentes d'écoulement en jet sous plafond (voir 4.3),

on doit savoir que s'il existe plusieurs méthodes pour calculer une quantité donnée, le résultat est

indépendant de la méthode utilisée.
5 Exigences régissant la documentation

5.1 Les exigences générales régissant la documentation se trouvent dans l'ISO/TR 13387-3.

5.2 Le mode opératoire à suivre dans l'exécution des calculs doit être décrit par l'intermédiaire d'un

ensemble d'équations algébriques.

5.3 Chaque équation doit être présentée dans un paragraphe séparé contenant une phrase qui décrit la

fonction de l'équation, ainsi que des notes explicatives et des limites concernant uniquement l'équation

présentée.

5.4 Chaque variable de l'ensemble d'équations doit être clairement définie, ainsi que les unités SI

appropriées, bien que les versions d'équations avec des coefficients sans dimension soient privilégiées.

5.5 La base scientifique de l'ensemble d'équations doit être fournie par référence à des manuels reconnus,

la littérature scientifique revue par des pairs ou par des dérivations, selon le cas le plus approprié.

5.6 Des exemples doivent démontrer comment l'ensemble d'équations est évalué, en utilisant des valeurs

pour tous les paramètres d'entrée cohérents avec les exigences de l'Article 4.
6 Exigences régissant les limites

6.1 Des limites quantitatives à l'application directe de l'ensemble d'équations algébriques pour calculer des

paramètres de sortie cohérents avec les scénarios décrits dans l'Article 4 doivent être prévues.

6.2 Des avertissements sur l'utilisation de l'ensemble d'équations algébriques à l'intérieur d'une méthode de

calcul plus générale doivent être prévus et inclure des vérifications de cohérence avec les autres relations

utilisées dans la méthode de calcul et les procédures numériques utilisées. Par exemple, l'utilisation d'un

ensemble donné d'équations pour les panaches dans un modèle de zone peut donner des résultats différents

d'un autre ensemble d'équations pour les flammes impactant le plafond dans le modèle de zone, où les zones

de panache et de flamme impactant le plafond se rejoignent, et peut entraîner des erreurs.

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ISO 16736:2006(F)
7 Exigences régissant les paramètres d'entrée

7.1 Les paramètres d'entrée pour l'ensemble d'équations algébriques doivent être décrits.

7.2 Les sources des données des paramètres d'entrée doivent être définies ou fournies de façon explicite

dans la Norme internationale.

7.3 Les plages valables des paramètres d'entrée doivent être énumérées comme spécifié dans

l'ISO/TR 13387-3.
8 Exigences régissant le domaine d'application

8.1 Un ou plusieurs recueils de données de mesure doivent être définis pour établir le domaine

d'application de l'ensemble d'équations. Ces données doivent avoir un niveau de qualité (par exemple

répétabilité, reproductibilité) évalué par une procédure documentée/normalisée [voir l'ISO 5725 (toutes les

parties)].

8.2 Le domaine d'application des équations algébriques doit être défini par comparaison avec les données

de mesure de 8.1, suivant les principes d'évaluation, de vérification et de validation des méthodes de calcul.

8.3 Des sources d'erreur potentielles qui limitent l'ensemble d'équations algébriques aux scénarios

spécifiques donnés dans l'Article 4 doivent être identifiées, par exemple l'hypothèse que la combustion avec

flammes n'est pas présente dans l'écoulement en jet sous plafond.
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Annexe A
(informative)
Équations pour des écoulements en jet sous plafond
quasi stationnaires et axisymétriques
A.1 Termes et définitions utilisés dans l'Annexe A
Les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943 et les suivants s'appliquent.
A.1.1
axisymétrique

déplacement moyen et propriétés, comme l'élévation moyenne de température, sont symétriques par rapport

à un axe vertical
A.1.2
environnement construit
tout bâtiment, structure ou véhicule de transport

EXEMPLE Les structures autres que les bâtiments incluent les tunnels, les ponts, les plates-formes offshore et les

mines.
A.1.3
plafond

limite d'élévation la plus élevée de l'espace clos dans tout environnement construit, comme une pièce dans un

bâtiment ou une cabine dans un véhicule
A.1.4
jet sous plafond

déplacement des gaz dans une couche au-dessous de la surface d'un plafond, entraîné par la poussée de

gaz chauds depuis le point d'impact du panache de feu sur le plafond
A.1.5
profondeur caractéristique d'un profil de température de jet sous plafond

profondeur au-dessous de la surface du plafond, à un rayon donné, r, auquel l'élévation moyenne de la

température au-dessus de la température ambiante dans l'écoulement en jet sous plafond devient un facteur

de e fois l'élévation moyenne maximale de la température à ce rayon
A.1.6
profondeur caractéristique d'un profil d'écoulement en jet sous plafond

profondeur au-dessous de la surface du plafond, à un rayon donné, r, auquel la vitesse moyenne des gaz

dans l'écoulement en jet sous plafond devient un facteur de e fois la vitesse moyenne maximale des gaz à

ce rayon
A.1.7
facteur de rendement de la combustion

rapport entre la chaleur de combustion mesurée dans des conditions d'essai incendie spécifique et la chaleur

nette de combustion
A.1.8
fraction convective
rapport entre le débit calorifique convectif et le débit calorifique
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A.1.9
flux de chaleur convective

taux d'échange de chaleur par surface unitaire d'une surface cible dû au déplacement d'un gaz, comme

l'écoulement en jet sous plafond
A.1.10
débit thermique convectif

composant du débit calorifique porté vers le haut par le déplacement du panache de feu

NOTE Au-dessus de la hauteur moyenne des flammes, ce composant est considéré comme ne variant pas avec la

hauteur.
A.1.11
panache de feu

mouvement ascensionnel turbulent d'un fluide qui est engendré par flottabilité d'une masse créée par une

combustion qui comporte une région inférieure enflammée
A.1.12
région de rotation du panache de feu

zone d'écoulement dans laquelle il existe une transition entre un écoulement de panache et un écoulement en

jet sous plafond, définie par un rapport de distance radiale par rapport à la hauteur utile de plafond, H − z ,

égale à 0,15 à 0,2
A.1.13
diamètre de la source d'incendie

diamètre utile de la source d'incendie, égal au diamètre réel pour une source circulaire ou au diamètre d'un

cercle ayant une surface égale à la surface plane d'une source non circulaire
A.1.14
flamme
région lumineuse d'un panache de feu, associée à la combustion
A.1.15
débit massique de combustion du combustible
vitesse de production massique des vapeurs de combustible
A.1.16
débit calorifique

vitesse à laquelle la chaleur est réellement dégagée par une source de combustion (comme la source

d'incendie)
A.1.17
flamme jet
flamme dominée par une impulsion, plutôt que par des forces de flottabilité
A.1.18
hauteur moyenne des flammes

hauteur moyennée dans le temps des flammes au-dessus de la base d'un incendie, définie comme l'élévation

où la probabilité de trouver des flammes est de 50 %
A.1.19
vitesse moyenne des gaz

vitesse moyennée dans le temps des gaz dans l'écoulement en jet sous plafond à une distance radiale

donnée, r
A.1.20
élévation moyenne de la température

augmentation moyennée dans le temps de la température des gaz au-dessus de la valeur de la température

ambiante dans l'écoulement en jet sous plafond, à une distance radiale donnée, r
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A.1.21
chaleur nette de la combustion

quantité de chaleur générée par masse unitaire perdue par un matériau, lorsqu'il est exposé à des conditions

d'essai d'incendie spécifiques
A.1.22
état quasi stationnaire

hypothèse selon laquelle les effets complets des changements de débit calorifique à la source de l'incendie

sont immédiatement ressentis partout dans le champ de l'écoulement
A.1.23
facteur de dégagement d'énergie rayonnée

rapport entre la chaleur de combustion dégagée par rayonnement thermique dans un incendie et la chaleur

nette de la combustion
A.2 Symboles et abréviations utilisés dans l'Annexe A
A surface plane du plafond (m )
A surface plane de la source d'incendie (m )
D diamètre de la source de l'incendie (m)
e base des logarithmes naturels
g accélération due à la gravité (m⋅s )
−2 −1
h coefficient d'échange thermique convectif (kW⋅m ⋅K )
∆H chaleur nette de la combustion (kJ⋅kg )
L hauteur moyenne des flammes au-dessus de la base de la source d'incendie (m)

l profondeur caractéristique d'un profil de température dans l'écoulement en jet sous plafond

l profondeur caractéristique d'un profil d'écoulement en jet sous plafond
m débit massique de combustion du combustible (kg⋅s )
p pression d'air absolue (kPa)
q flux de chaleur convective (kW⋅m )
Q débit calorifique réellement mesuré ou spécifié (kW)
Q débit calorifique convectif (kW)
Ra nombre de Rayleigh du panache (—)
r distance radiale depuis l'axe du panache (m)
T température ambiante (K)
y distance verticale au-dessous du plafond (m)
z hauteur du plafond au-dessus de la base de la source d'incendie (m)

z hauteur de l'origine virtuelle au-dessus de la base de la source d'incendie (m)

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∆T élévation moyenne de température (K)

∆T élévation de la température du plafond au-dessus de la valeur ambiante à une position radiale

donnée (K)
∆T élévation moyenne maximale de la température (K)
max
V vitesse moyenne maximale des gaz (m⋅s )
max
α fraction convective du débit calorifique, 1− (—)
χ facteur de rendement de la combustion (—)
χ facteur de dégagement d'énergie rayonnée (—)
2 −1
ν viscosité cinématique de l'air (m⋅s )
θ angle de pente maximal de la surface du plafond (rad)
A.3 Description de phénomènes physiques abordés par l'ensemble d'équations
A.3.1 Propriétés sélectionnées des écoulements en jet sous plafond

Les propriétés sélectionnées des écoulements en jet sous plafond quasi stationnaires et axisymétriques sont

calculées.
A.3.2 Éléments de scénario auxquels l'ensemble d'équations est applicable

L'ensemble des équations s'applique au point d'inertie sur des plafonds essentiellement plats non obstrués de

panaches de feu, depuis des sources d'incendie quasi stationnaires qui sont approximativement circulaires ou

carrées en surface plane. Il convient que la source d'incendie soit une surface en combustion horizontale face

vers le haut ou une source en combustion en trois dimensions pour laquelle la hauteur moyenne des flammes

est supérieure à 110 % de la hauteur de la source, mais inférieure à 10 % de la hauteur totale de plafond

au-dessus de la base de la source d'incendie.
A.3.3 Caractéristiques de l'écoulement en jet sous plafond à calculer

Les équations fournissent des températures maximales des gaz et des vitesses maximales des gaz pour les

endroits situés à un rayon de l'axe vertical du panache (axe de symétrie). La profondeur caractéristique de

l'écoulement en jet sous plafond et les taux d'échange thermique convectif au plafond sont également

calculés.

A.3.4 Régions de l'écoulement en jet sous plafond auxquelles les équations s'appliquent

Une distinction est faite entre l'écoulement à l'intérieur ou à la sortie de la région de rotation du panache et

l'écoulement à l'extérieur de la région de rotation du panache, avec des équations différentes applicables à

l'intérieur et à l'extérieur de cette région.
A.3.5 Cohérence interne de l'ensemble d'équations

L'ensemble d'équations fourni dans la présente annexe a été dérivé et revu par R.L. Alpert (voir A.5) pour

garantir que les résultats de calcul d'équations différentes dans l'ensemble sont cohérents (c'est-à-dire

n'entraînent pas de conflits).
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A.3.6 Normes et autres documents où l'ensemble d'équations est utilisé
[8]

L'ensemble d'équations est abordé dans le SFPE Handbook of Fire Protection Engineering .

A.4 Documentation de l'ensemble d'équations

A.4.1 Élévation moyenne maximale de la température de l'écoulement en jet sous plafond

au rayon, r

A.4.1.1 L'élévation moyenne maximale de la température de l'écoulement en jet sous plafond, ∆T , à

max

l'intérieur de la région de rotation du panache, u 0,18, est donnée dans les Équations (A.1) à (A.4)

zz−

par une corrélation dimensionnelle à partir de la Référence [4]. Dans ces expressions, la hauteur de l'origine

virtuelle, z , vient de la Référence [26].
16,9
∆=T (A.1)
max
2/3 5 3
zz−
QQ=α (A.2)
2/5
zD=−1,02 + 0,083Q (A.3)
Qm=∆χ H (A.4)
fa c

NOTE Les équations d'origine dans la Référence [4] sont exprimées en termes de débit calorifique et non du

composant convectif, et ne contiennent pas de correction pour l'emplacement de l'origine virtuelle du panache.

A.4.1.2 L'élévation moyenne maximale de la température de l'écoulement en jet sous plafond, ∆T , à

max

l'intérieur de la région de rotation du panache, u 0,18, dans des conditions applicables à

zz−

de nombreux matériaux combustibles [α = 0,7 dans l'Équation (A.1); voir A.7.2], est donnée dans

l'Équation (A.5).
∆=T 21,4 (A.5)
max
zz−

NOTE Le facteur de 21,4 dans l'Équation (A.5), qui serait de 24 si α = 0,6, diffère du facteur de 25 dans la formule,

qui serait autrement identique, de l'élévation moyenne maximale de la température à l'élévation de la région de rotation

dans le panache (voir la Référence [26]) générant l'écoulement en jet sous plafond. Des températures correspondantes

moyennes maximales de panache et de l'écoulement en jet sous plafond dans la région de rotation seraient censées être

les mêmes en l'absence de la perte de chaleur ou de mélange de la région de rotation.

A.4.1.3 L'élévation moyenne maximale de la température de l'écoulement en jet sous plafond, ∆T , à

max

l'extérieur de la région de rotation du panache, > 0,18, est donnée dans l'Équation (A.6) par une

zz−
corrélation dimensionnelle à partir de la Référence [4].
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zz−
5,38()
∆=T (A.6)
max
2/3 2 3
zz−
⎝⎠Hv

A.4.1.4 L'élévation moyenne maximale de la température de l'écoulement en jet sous plafond, ∆T , à

max

l'extérieur de la région de rotation du panache, > 0,18, dans des conditions applicables à de

zz−

nombreux matériaux combustibles [α = 0,7 dans l'Équation (A.6); voir A.7.2], est donnée dans l'Équation (A.7).

zz−
∆=T 6,82 (A.7)
max
zz−
⎝⎠Hv
A.4.2 Vitesse moyenne maximale de l'écoulement en jet sous plafond au rayon, r

A.4.2.1 La vitesse moyenne maximale de l'écoulement en jet sous plafond, V , à la sortie de la région

max

de rotation du panache, = 0,15, est donnée dans l'Équation (A.8) par une corrélation dimensionnelle

zz−
à partir de la Référence [4].

À l'intérieur de la région de rotation (voir A.10), la vitesse des gaz chauds générés par un incendie change et

passe d'un écoulement vertical vers le haut dans le panache de feu à un écoulement parallèle au plafond

dans l'écoulement en jet sous plafond. Malgré ce changement de direction, il convient que la vitesse de

l'écoulement soit presque constante (voir Référence [7]).
0,96
V = (A.8)
max
1/3⎜⎟
zz−
⎝⎠Hv

A.4.2.2 La vitesse moyenne maximale de l'écoulement en jet sous plafond, V , à la sortie de la région

max

de rotation du panache, = 0,15, dans des conditions applicables à de nombreux matériaux

zz−

combustibles [α = 0,7 dans l'équation (A.8); voir A.7.2], est donnée dans l'Équation (A.9).

V = 1,08 (A.9)
max
zz−

A.4.2.3 La vitesse moyenne maximale de l'écoulement en jet sous plafond, V , à l'extérieur de la région

max

de rotation du panache, > 0,15, est donnée dans l'Équation (A.10) par une corrélation

zz−
dimensionnelle à partir de la Référence [4].
zz−
0,195 Hv
V = (A.10)
max
1/3 5 6
zz−
⎝⎠Hv
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A.4.2.4 La vitesse moyenne maximale de l'écoulement en jet sous plafond, V , à l'extérieur de la région

max

de rotation du panache, > 0,15, dans des conditions applicables à de nombreux matériaux

zz−

combustibles [α = 0,7 dans l'Équation (A.10); voir A.7.2], est donnée dans l'Équation (A.11).

zz−
⎝⎠Hv
V = 0,22 (A.11)
max
zz−

A.4.3 Profil de température moyennée dans le temps de l'écoulement en jet sous plafond

à l'extérieur de la région de rotation du panache

A.4.3.1 Le changement dans l'élévation de la température moyenne, ∆T, avec une distance verticale, y,

au-dessous du plafond, à l'extérieur de la région de rotation du panache, 0,26uu 2,0, est donné par

zz−

la corrélation sans dimension de l'Équation (A.12) à partir de la Référence [19].

0,755
⎛⎞ ⎛ ⎞
∆Ty y
=+4,24 0,094 exp−2,57 (A.12)
⎜⎟ ⎜ ⎟
∆Tl l
max ⎝⎠T ⎝ T⎠
A.4.3.2 Sur la base du profil de la température donnée par l'Équation (A.12),
...

Questions, Comments and Discussion

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