The Ventilation Paradox

I originally intended to write this post about the influence of air track on flashover in multiple compartments. However, after several conversations in the last week about the bathtub analogy and ventilation induced flashover, I had a change in plans.

The Bathtub Analogy

In Understanding Flashover: Myths and Misconceptions, I presented the bathtub analogy (Kennedy & Kennedy , 2003)as a simplified way of understanding how flashover occurs when a compartment fire is burning in a fuel controlled regime.

Flashover has been analogously compared to the filling of a bathtub with the drain open. In this practical, though not perfect, analogy water represents the heat energy. The quantity of water available is the total heat of combustion of the available fuels (fuel load). The size of the spigot and the water pressure control the amount of water flow that is the heat release rate. The volume of the bathtub is analogous to the volume of the compartment and its ability to contain the heat energy. The size and location of the bathtub drain controlling the rate of water loss is the loss of heat energy through venting and conductance. In this analogy, if the bathtub becomes full and overflows, flashover occurs. (Kennedy & Kennedy, 2003, p. 7)

Figure 1. The Bathtub Analogy-Fuel Controlled Burning Regime

bathtub_analogy

Note: Adapted from Flashover and fire analysis: A discussion of the practical use of flashover in fire investigation, p. 7, by Patrick Kennedy & Kathryn Kennedy, 2003. Sarasota, FL: Kennedy and Associates, Inc.

All Models are Wrong

While the bathtub model provides a simple explanation and makes it easy to understand how flashover might occur, it is inaccurate. However, as Box and Draper (1987) stated: “Essentially, all models are wrong, but some are useful” p. 424).

Models or analogies provide a way of understanding based on simplification. This is useful, but this simplification, while providing a starting point for understanding can overlook important concepts or elements of a complex system. In the case of the bathtub analogy, simplification overlooks the criticality of oxygen to the combustion process.

Ventilation is the exchange of the atmosphere inside a compartment with that which is outside. This process is necessary and ongoing in any space designed for human habitation. In a compartment fire, ventilation involves the exhaust of smoke and intake of air from outside the compartment.  Note that this is different than tactical ventilation, which is the planned and systematic removal of hot smoke and fire gases and their replacement with fresh air. However, both normal and tactical ventilation involve exhaust of the compartment atmosphere and replacement with fresh air.

While the bathtub analogy is simple, and provides a useful starting point, it fails to address the air side of the ventilation equation. As ventilation is increased, the compartment looses energy through convection. However, if the fire is ventilation controlled (heat release rate (HRR)is limited by the available oxygen), increased ventilation will also increase HRR.

Revised Bathtub Analogy

For many years, firefighters have been taught tactical ventilation prevents or slows progression to flashover. Somewhat less commonly, firefighters have been taught to close the door to the fire compartment, limiting inward air flow and slowing fire growth (tactical anti-ventilation). My friend and colleague Inspector John McDonough of the New South Wales (AU) Fire Brigades refers to this as the Ventilation Paradox. Increased ventilation increases the HRR required for flashover to occur and may prevent or slow progression to flashover or it may (and often does) result in flashover. Reduction in ventilation may prevent or slow progress to flashover, but also reduces the HRR required for flashover to occur and (less commonly) may result in flashover. It depends! Not the answer that firefighters want to hear.

Making the bathtub analogy a bit more complex may provide a starting point for understanding the ventilation paradox. At the root of this apparent paradox is the impact of ventilation on the thermodynamic system and the relationship between oxygen and release of energy from fuel (Thornton’s Rule). See Fuel and Ventilation [LINK) for more information on Thornton’s Rule and the relationship between oxygen, fuel, and energy.

As illustrated in Figure 2, the revised bathtub analogy incorporates several changes. The inlet pipe has been enlarged (making it larger than the drain) and valves have been added to both the inlet and drain pipes. Most importantly, control of the valves is interconnected (but this is not shown visually as it makes the drawing even more complicated). Changing the position of either the inlet or drain, results in a corresponding change in the other valve.

Figure 2. Revised Bathtub Analogy-Ventilation Controlled Burning Regime

bathtub_analogy_rev

This analogy provides a reasonable (but still overly simplified and thus somewhat inaccurate) representation of a ventilation controlled compartment fire when normal building openings (e.g., doors, windows) serve as ventilation openings.

As illustrated in Figure 2, opening the drain also results in an increase in flow from the (larger) inlet, which without intervention is likely to result in the tub overflowing. In a compartment fire, increasing ventilation to a when the fire is burning in a ventilation controlled regime, increases convective heat loss, but HRR will also increase, potentially resulting in flashover.

Resolving the Paradox

Resolution of the problems presented by the paradox involve recognition of what burning regime the fire is in (fuel or ventilation controlled), understanding the influence of the location and size of ventilation openings on convective heat loss, understanding the influence of increased air intake on HRR, and coordination of ventilation and fire control tactics. On the surface, this all sounds quite simple, but is considerably more complex in practice.

Feedback

I would like to thank my friend and colleague Lieutenant Chris Baird, Gresham Fire & Emergency Services and my wife Sue for serving as my sounding board as I worked through the process of revising the bathtub analogy. As always your feedback and suggestions will be greatly appreciated.

Ed Hartin, MS, EFO, MIFireE, CFO

References

Box, G.& Draper, N. (1987). Empirical Model-Building and Response Surfaces, San Francisco: Wiley & Sons.

Kennedy, P. & Kennedy, K. (2003). Flashover and fire analysis: A discussion of the practical use of flashover in fire investigation. Retrieved July 30, 2009 from http://www.kennedy-fire.com/Flashover.pdf

If you enjoyed this post, make sure you subscribe to my RSS feed!

Tags: , , , , , , , ,



7 Responses to “The Ventilation Paradox”

  1. Brian Says:

    Now if you could build a doll hose with corresponding bathtub drain valves it would be easier to visualize.

  2. John McDonough Says:

    Great work Ed! If we don’t try and understand the variables behind the ‘Ventilation Paradox’, we are destined to ‘spin the roulette wheel’ each time we ventilate not from knowledge, but from routine.

  3. John Chubb Says:

    Hi Ed
    I attended Revinge College Sweden and the methodology used to train firefighters in CFBT uses “Burn Regimes” as a training template.I have imported this approach and have found that firefighter understanding greatly improves. I feel that you may be heading the same direction ! I now find the “conventional” approach to CFBT unsatisfactory because of over simplification.As you pointed out, it is critical that firefighters have a deep understanding of the effects of creating openings on a ventilation controlled fire.Great work!

    regards jc

  4. cecyre.georges Says:

    JE VOUDRAIS ICI EXPLIQUER POURQUOI QUAND LA BAIGNOIRE EST PLEINE.

    LA PLEINE CROISSANCE DU (fULL ROOM INVOLVEMENT) LE FEU NE PEUT FOURNIR À BRÛLER TOUS LES GAZ ET LA SUIE ET CARBON ETC LE DÉGAGEMENT DES GAZ DE PYROLYSE ET DE COMBUSTION SONT TROP ÉLEVÉS IL NE PEUVENT PLUS ÊTRE CONTENU DANS LE LOCAL, C’EST ALORS QUE LA FUMÉE VISIBLE ET LE MANQUE D’AIR SE FONT SENTIR CAR LA FLAMME CHANGE DE COULEUR ELLE DEVIENT FONCÉE (DARK RED)ensuite il y a apparision de rouleaux de flammes qui sont fait en hauteur au niveau du plafond ces rouleaux ont une longueur approimative de 24 à 36 pouces, ont peut en appercevoir quelques uns soit de 2 à 5 possiblement, la fumée remplit davantage le local et on apperçois des grandes langues sporadiques de feu(en hauteur toujours) dancing angels, et la fumée remplit complètement le local, on peu encore apercevoir de petites langues de feu ( oranges Flickers du capt feu club atlétic 3en 1992) Il ne peut plus entrer d’air de façon continbue comme vous le dite ,il ne peut y avoir intensification de la ventilation c’est terminé,
    La seule apport d’air va entrer violamment par le bas de la porte rappelez-vous le vacuum et le bruit strident de cet entrée d’air, le vide qui se crée devant la poerte ouverte pour rentrer vers l’intérieur comprenez que le parghaphe ici ne peut plus s,appliquer. Comme illustré à la figure 2, l’ouverture du drain entraîne également une augmentation du débit de la (grande) d’entrée, qui, sans l’intervention est susceptible d’entraîner dans la baignoire qui déborde. Dans un incendie dans le compartiment, à une intensification de la ventilation, quand le feu brûle dans une ventilation contrôlée régime, augmente les pertes de chaleur par convection, mais HRR permettra également d’augmenter, entraînant potentiellement un embrasement général MOi je parle toujours dans la définition du flashover à plusieurs étapes de suivis consécutives.il y a deux entrées d’air avant de produire ces deux backdrafts consécutifs décalés.
    Il y une possiblité que ça recommence , M.P, L.Lamballais en a fait à répétition de backdraft dans sa mini-maison de flashover en mode flashover. des backdraft ouvert, les seuls backdraft ouverts possible sont ces deux backdrafts qui complète le flashover,c,est tout. Il y a plusieurs sortes de backdrafts, soit accidentels par négligence ou par indifference. accidentel par des vitres brisées par la chaleur, et des backdraft provoquer par des jets d’eau trop puissants et trop violent dans des plafonds par exemple,un jet à gros débi, c’est possible.

  5. cecyre.georges Says:

    Ici j’insiste sur la ventilation Il est dit intensification de la ventilation (Pas possible) Je Voudrais ICI Expliquer POURQUOI QUAND LA BAIGNOIRE EST PLEINE.

    LA PLEINE CROISSANCE DU (PLEINE PARTICIPATION DE CHAMBRE) LE FEU NE PEUT VENIR À BRÛLER TOUS LES GAZ ET LA Suie ET CARBONE ETC LE DEGAGEMENT DES GAZ DE PYROLYSE ET DE COMBUSTION SONT TROP ELEVES IL NE PEUVENT PLUS ÊTRE DANS LE CONTENU LOCAL, C’EST ALORS QUE LA FUMÉE VISIBLE ET LE MANQUE D’AIR SE FONT SENTIR CAR LA FLAMME DE CHANGEMENT DE COULEUR ELLE DEVIENT foncée (rouge foncé) il ya ensuite apparision de rouleaux de flammes Qui sont fait en hauteur au niveau du CES plafond rouleaux Ont Une longueur approimative de 24 à 36 pouces, Ont Peut fr appercevoir quelques uns Soit de 2 à 5 possiblement, La Fumée davaNtage Remplit le local et sur apperçois sporadiques des grandes langues de feu (en hauteur toujours) la danse des anges, et La Fumée Remplit complètement le local, sur encore un peu apercevoir de petites langues de feu (oranges Flickers du club feu capt atletic 3fr 1992) Il Peut nec plus entrer d’air De façon continbue Comme vous le dite, IL NE PEUT intensification y avoir de la ventilation c’est terminé,
    La seule apport d’air va entrer violamment par le bas de la porte Rappelez-vous le vide et le bruit strident de cet entrée d’air, le vide se crée Qui Devant la poerte ouverte pour rentrer vers l’intérieur Comprenez que le parghaphe ici peut ne plus s, apply. Comme illustré à la figure 2, l’ouverture du drain entrainé Also Une augmentation du débit de la (grande) d’entrée, Dans Qui, sans l’intervention est susceptible d’entrainer la baignoire Qui Déborde. Dans un incendie Dans le compartiment, à l’intensification Une de la ventilation, quand le feu brûle Dans une régime de ventilation contrôlée, augmente les Pertes de chaleur par convection, mais HRR Also permettra d’réactives, les Entraînant Potentiellement général de l’ONU Embrasement Dans Moi je parle toujours La définition du contournement À plusieurs étapes de suivis consécutives.il ya deux entrées d’air d’avant »de produire CES Deux backdrafts Décalés consecutifs.
    Il y Une possiblité que ça recommence, député, L. Lamballais fr a fait à répétition de backdraft Dans sa mini-maison de l’embrasement général en mode flash-over. ouvert des backdraft, Les Seuls backdraft ouverts possible CES Sont Deux backdrafts qui complète le contournement, c, est tout. Il ya plusieurs Sortes de backdrafts, accidentels Soit par Négligence ou indifférence par. Accidentel par des vitres brisées par la chaleur, et provoquer des backdraft par des jets d’eau trop puissants et trop violente Dans des plafonds par exemple, un jet à gros Debi, c’est possible.

  6. laurence delorme Says:

    hello Ed,

    i translated your article entitled:the ventilation paradox in french,here is the link:

    http://chezfireball.blogspot.com/2009/09/le-paradoxe-de-la-ventilation.html

    very interesting.thanks for sharing with us.

  7. georges cecyre Says:

    Il ne faut pas re-traduire en Fançais un texte qui est déjà en Françias, car il devient très vite déformé et il devient très difficile de comprendre le vrai sens du texte.

    Si vous le voulez écrivez moi et je vous envoie un autre texte en Français mais il ne faut pas le retoucher.

Leave a Reply