http://www.nist.gov/fire/fire_behavior.cfm
`
`Page 1 of 6
`
`BOREALIS EXHIBIT 1052
`
`

`
`NIST Time NIST Home
`
`About NIST
`
`Contact Us
`
`A­Z Site Index
`
`Search
`
`About
`
`Multimedia
`
`Reports Archive
`
`CDs and DVDs
`
`Subscribe
`
`Contact
`
`NIST Home > Fire.Gov > Fire Dynamics
`
`Research Areas
`
`Fire Fighting Technology
`
`Electronic Safety Equipment
`
`Fire Dynamics
`
`Firefighter Fatality & Injury Studies
`
`Fire Fighting Tactics
`
`Fire Forensics
`
`Fire Protection
`
`Personal Protective Equipment
`
`Staffing Studies
`
`Structural Collapse
`
`Wind Driven Fires
`
` 
`
`Contact
`
`Dan Madrzykowski
`Fire Research Division
`daniel.madrzykowski@nist.gov
`
`Fire Dynamics
`
`Fire Dynamics
`Fire Dynamics is the study of how chemistry, fire science, material science and the mechanical engineering
`disciplines of fluid mechanics and heat transfer interact to influence fire behavior. In other words, Fire
`Dynamics is the study of how fires start, spread and develop. But what exactly is a fire?
`
`Defining Fire
`Fire can be described in many ways ­ here are a few:
`
`NFPA 921: "A rapid oxidation process, which is a chemical reaction resulting in the evolution of
`light and heat in varying intensities."
`
`Webster's Dictionary: "A fire is an exothermic chemical reaction that emits heat and light"
`
`Fire can also be explained in terms of the Fire Tetrahedron ­ a geometric representation of what is required
`for fire to exist, namely, fuel, an oxidizing agent, heat, and an uninhibited chemical reaction.
`
`Measuring Fire
`Heat Energy is a form of energy characterized by vibration of molecules and capable of initiating and
`supporting chemical changes and changes of state (NFPA 921). In other words, it is the energy needed to
`change the temperature of an object ­ add heat, temperature increases; remove heat, temperature
`decreases. Heat energy is measured in units of Joules (J), however it can also be measured in Calories (1
`Calorie = 4.184 J) and BTU's (1 BTU = 1055 J).
`
`Temperature is a measure of the degree of molecular activity of a material compared to a reference point.
`Temperature is measured in degrees Farenheit (melting point of ice = 32 º F, boiling point of water = 212 º
`F) or degrees Celsius (melting point of ice = 0 º C, boiling point of water = 100 º C).
`
`º C
`
`º F
`
`Response
`
`37
`
`44
`
`48
`
`55
`
`62
`
`72
`
`100
`
`140
`
`230
`
`250
`
`98.6
`
` Normal human oral/body temperature
`
`111
`
` Human skin begins to feel pain
`
`118
`
` Human skin receives a first degree burn injury
`
`131
`
` Human skin receives a second degree burn injury
`
`140
`
` A phase where burned human tissue becomes numb
`
`162
`
` Human skin is instantly destroyed
`
`212
`
` Water boils and produces steam
`
`284
`
` Glass transition temperature of polycarbonate
`
`446
`
` Melting temperature of polycarbonate
`
`482
`
` Charring of natural cotton begins
`
`>300
`
`>572
`
` Charring of modern protective clothing fabrics begins
`
`>600
`
`>1112  Temperatures inside a post­flashover room fire
`
`Heat Release Rate (HRR) is the rate at which fire releases energy ­ this is also known as power. HRR is
`measured in units of Watts (W), which is an International System unit equal
`to one Joule per second. Depending on the size of the fire, HRR is also measured in Kilowatts
`(equal to 1,000 Watts) or Megawatts (equal 1,000,000 Watts).
`
`Heat Flux is the rate of heat energy transferred per surface unit area ­ kW/m2.
`
`Heat Flux (kW/m2)
`
`Example
`
`Fire Dynamics
`
`1 of 5
`
`http://www.nist.gov/fire/fire_behavior.cfm
`
`Page 2 of 6
`
`

`
`1
`
`2.5
`
`3­5
`
`20
`
`84
`
`Sunny day
`
`Typical firefighter exposure
`
`Pain to skin within seconds
`
`Threshold flux to floor at flashover
`
`Thermal Protective Performance Test (NFPA 1971)
`
`60 ­ 200
`
`Flames over surface
`
` 
`Temperature vs. Heat Release Rate
`One candle vs. ten candles ­ same flame temperature but 10 times the heat release rate!
`
` 
`
`    
`
`HRR: ~ 80 W
`Temperature: 
`500 C ­ 1400 C
`(930 F ­ 2500 F)
`
`HRR: ~ 800 W
`
`Heat Transfer
`Heat transfer is a major factor in the ignition, growth, spread, decay and extinction of a fire. It is important to
`note that heat is always transferred from the hotter object to the cooler object ­ heat energy transferred to
`and object increases the object's temperature, and heat energy transferred from and object decreases
`the object's temperature.
`
`CONDUCTION
`
`Conduction is heat transfer within solids or between contacting solids.
`
`   
`
`          
`
` 
`
`The governing equation for heat transfer by conduction is:
`
` 
`
`Fire Dynamics
`
`2 of 5
`
`http://www.nist.gov/fire/fire_behavior.cfm
`
`Page 3 of 6
`
`

`
`Where T is temperature (in Kelvin), A is the exposure area (meters squared), L is the depth of the solid
`(meters), and k is a constant that unique for different materials know as the thermal conductivity and has
`units of (Watts/meters*Kelvin).
`
`Thermal Conductivity of Common Materials
`
`Copper = 387
`
`Gypsum = 0.48
`
`Steel = 45.8
`
`Oak = 0.17
`
`Glass = 0.76
`
`Pine = 0.14
`
`Brick = 0.69
`
`PPE = 0.034 ­ 0.136
`
`Water = 0.58
`
`Air = 0.026
`
`CONVECTION
`
`Convection is heat transfer by the movement of liquids or gasses.
`
`The governing equation for heat transfer by convection is:
`
`          
`
` 
`
`Where T is temperature (in Kelvin), A is the area of exposure (in meters squared), and h is a constant that is
`unique for different materials known as the convective heat transfer coefficient, with units of W/m2*K. These
`values are found empirically, or, by experiment. For free convection, values usually range between 5 and 25.
`But for forced convection, values can range anywhere from 10 to 500.
`
`RADIATION
`
`Radiation is heat transfer by electromagnetic waves.
`
`          
`
` 
`
`The governing equation for heat transfer by radiation is:
`
`Where T is temperature (in Kelvin), A is the area of exposure (in meters squared), α is the thermal diffusivity
`
`Fire Dynamics
`
`3 of 5
`
`http://www.nist.gov/fire/fire_behavior.cfm
`
`Page 4 of 6
`
`

`
`(a measure of how quickly a material will adjust it's temperature to the surroundings, in meters squared per
`second) and ε is the emissivity (a measure of the ability of a materials surface to emit energy by radiation).
`
`Fire Phenomena
`Fire Development is a function of many factors including: fuel properties, fuel quantity, ventilation (natural
`or mechanical), compartment geometry (volume and ceiling height), location of fire, and ambient conditions
`(temperature, wind, etc).
`
`Traditional Fire Development
`The Traditional Fire Development curve shows the time history of a fuel limited fire.  In other words, the fire
`growth is not limited by a lack of oxygen. As more fuel becomes involved in the fire, the energy level continues to
`increase until all of the fuel available is burning (fully developed). Then as the fuel is burned away, the energy level
`begins to decay. The key is that oxygen is available to mix with the heated  gases (fuel) to enable the completion of
`the fire triangle and the generation of energy.
`
` 
`
`Watch
`Windows: Traditional Fire Development in a Compartment Fire 
`Mac: Traditional Fire Development in a Compartment Fire
`
`Fire Behavior in a Structure
`The Fire Behavior in a Structure curve demonstrates the time history of a ventilation limited fire. In this case the
`fire starts in a structure which has the doors and windows closed. Early in the fire growth stage there is adequate
`oxygen to mix with the heated gases, which results in flaming combustion.  As the oxygen level within the
`structure is depleted, the fire decays, the heat release from the fire decreases and as a result the temperature
`decreases. When a vent is opened, such as when the fire department enters a door, oxygen is introduced. The
`oxygen mixes with the heated gases in the structure and the energy level begins to increase. This change in
`ventilation can result in a rapid increase in fire growth potentially leading to a flashover (fully developed
`compartment fire) condition.
`
` 
`
`Watch
`Windows: Fire Behavior in a Structure (Ventilation limited)
`
`Fire Dynamics
`
`4 of 5
`
`http://www.nist.gov/fire/fire_behavior.cfm
`
`Page 5 of 6
`
`

`
`Mac: Fire Behavior in a Structure (Ventilation limited)
`
`Flashover is the transition phase in the development of a contained fire in which surfaces exposed to the
`thermal radiation, from fire gases in excess of 600° C,  reach ignition temperature more or less
`simultaneously and fire spreads rapidly through the space. This is the most dangerous stage of fire
`development.
`
`          
`
`Videos:
`
`Compartment Fire Flashover
`
`Flashover Compilation
`
`Reports:
`
`Backdraft Phenomena
`
`Fatal Training Fires
`
`The National Institute of Standards and Technology (NIST) is an agency of the U.S. Department of Commerce.
`
`Privacy Policy / Security Notice / Accessibility Statement / Disclaimer / Freedom of Information Act (FOIA) / 
`Environmental Policy Statement / No Fear Act Policy / NIST Information Quality Standards / 
`Scientific Integrity Summary / DOC Communications Policy
`
`Date created: November 17, 2010 | Last updated: July 16, 2013    Contact: Webmaster
`
` Sign Up for NIST E­mail alerts:
`Enter email address
`  Go
`
`Fire Dynamics
`
`5 of 5
`
`http://www.nist.gov/fire/fire_behavior.cfm
`
`Page 6 of 6