2001年1月第

3卷第1期

中国工程科学Jan12001Vol13No11

专题报告

火灾安全科学———

一个新兴交叉的工程科学领域

范维澄,刘乃安

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥　230026[摘要]　,。20世纪后期以

来,,论述了这门学科的任务,。;交叉科学[关键词]1　引言

自人类有史以来,火灾就成为危害人类最持

久、最剧烈的灾害之一。在经济高速发展的现代社会,火灾的科学防治已经成为社会安全保障的重要组成部分。然而,由于火灾现象自身的复杂性,以及科学理论和科技手段等方面的限制,人类对火灾的科学认识在历史上长期停留在表象观察和数据统计层次上,一直未能形成以揭示火灾复杂性本质为目标的相应学科。20世纪70年代以来的二三十年间,迅速崛起的燃烧理论、科学计算技术、非线性动力学理论、系统安全原理、宏观与小尺度动态测量技术、以及信息技术等,为系统地针对火灾复杂性问题进行科学攻关提供了充分的理论支持和技术手段,从而为火灾安全科学的发展创造了良好的契机。正因如此,世界主要发达国家在80年代后期以来都开始针对前沿性的火灾科学问题开展国家级研究和国际间合作,各国的火灾科学研究基地不断扩大,国际火灾安全科学学会(InternationalAsso2ciationofFireSafetyScience,IAFSS)以及各地区性的火灾科学技术协会也相继成立,致力于团结各国的研究人员协力开展前沿性火灾安全科学研究。

[收稿日期]　2000-09-18

[基金项目]　国家自然科学基金资助项目(59336140,59936140

)

作为一门以火这一古老现象为基本研究对象的新兴

学科,火灾安全科学以其鲜明的前沿性、交叉性和挑战性,已经逐步发展成为一个特色鲜明、充满生机和活力的工程科学领域。

2　火灾安全科学的任务

火灾安全科学的迅猛发展有其深刻的社会背景。20世纪中叶以来,战后的全球在经济复苏的同时也越来越感受到火灾的威胁,火灾的剧烈程度与经济的发达程度往往呈现出正相关关系,经济发达地区的火灾造成的损失一般远高于经济不发达地区。以我国1999年的火灾数据为例[1],图1是我国在该年的火灾直接损失(directpropertylosses,DPL)情况(不含森林、草原、军队火灾),其中阴影标识的省份分别是我国沿海经济发达的江苏,浙江,福建,山东与广东。可以看出,在这些经济发达地区相应的火灾损失比其它经济较不发达地区的火灾损失要大得多。以上5个省份在1999年全年共发生60549次火灾,导致1017人死亡,受伤1582人,并造成5130×108元直接财产损失,这三项损失指标分别占中国当年总损失的3711%,3416%和3710%。3417%的特(重)大火灾发生

[作者简介]　范维澄(1943-),湖北鄂州市人,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室教授

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第1期范维澄等:火灾安全科学———一个新兴交叉的工程科学领域

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在这5个省份,造成的损失占全国特(重)大火灾

损失的3515%。大规模的森林和草原火灾在造成重大生命财产损失的同时,还往往对生态环境产生恶劣影响。1997年的印度尼西亚森林火灾所产生的污染性烟尘波及一些东南亚国家,严重影响了这些国家正常的生活节奏,大火造成的生态平衡将给东南亚气候变化带来长期影响;1987年的大兴安岭火灾和1996年的内蒙古森林草原火灾,都给我

国的生态环境造成了严重破坏。无论是在当今中国还是在其它国家,减少火灾对生产、生活及资源环境的危害都已经成为国家的重大需求。要满足这一重大需求,科技减灾是必由之路。火灾科技防治的总体目标是通过发展先进的火灾防治技术,并依赖科学的火灾安全工程设计体系和火灾的科学管理与应急预案体系,来实现火灾防治有效性和经济性的科学统一

。

图1　1999年中国各省、自治区、直辖市火灾直接财产损失比较

(fromthedataof1999Fig11　ComparisonofthefireinducedDPLforallprovincesinChina

　　火灾过程是一种具有复杂性本质的科学研究对

象,其孕育、发生和发展包含着湍流流动、相变、传热传质和复杂化学反应等物理化学作用,是一种涉及物质、动量、能量和化学组份在复杂多变的环境条件下相互作用的三维、多相、多尺度

、非定常、非线性、非平衡态的动力学过程;该动力学过程还与作为外部因素的人、材料、环境及其它干预因素等发生相互作用。火灾的复杂性包括两方面的内容:①火灾确定性动力学系统的复杂性。这里所说的确定性,是指所考察的火灾动力学系统其环境条件和火源条件均已给定,从而对该系统火蔓延过程和烟气运动的动力学描述在数学上是确定的。这种确定性火灾动力学系统在物理和数学上表现出来的复杂性源于火灾系统自身各构成要素之间的耦合性和时空的非均匀性等非线性作用,以及火灾系统与其外部因素的耦合构成的非线性作用。②火灾的

)

随机性。当火灾被作为一种灾害事故来看待时,从

总体上看,其发生原因、发生形式、发生环境、可燃物种类及其分布等诸多因素是不确定的,这就形成了火灾发生和发展的随机性。随机性是构成火灾复杂性的另一方面重要内容,也是一般灾害现象共有的特征。

对火灾的科学认识实际上就是对火灾的确定性和随机性这两种复杂性的深入认识。认识这两种复杂性的科学手段截然不同。研究火灾确定性规律的手段是模拟,包括实验模拟和计算模拟,描述方法是运用体现质量、动量、能量以及化学反应基本规律的微分方程或其简化形式;研究火灾随机性规律的手段是统计,描述方法是概率论。科学地认识火灾系统的复杂行为,并发展相应的技术原理以对这种复杂性行为加以合理的控制与利用,就是火灾安全科学的任务。

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8中国工程科学

火灾安全科学作为一门交叉科学,它所具备的

第3卷

研究方法———场模拟(fieldmodeling)方法。然而,由于火灾问题的复杂性,到目前为止,对场模拟理论的研究还基本上局限于学术界,而在实际应用中很少采用。而火灾安全科学是一门应用背景很强的学科,人们希望它的理论成果能够在较短时期内发挥作用。如果要等到解决了湍流化学流体力学问题,再去解决实际火灾问题,就如同先解决Navier2Stokes方程再去解决实际的水力学问题一

多学科交叉性是火灾双重复杂性在学科体系方面的具体体现。在基础自然科学方面,火灾安全科学直接与微分方程定性理论和数值方法,概率与统计,非线性动力学,流体力学,固体力学,及爆炸力学等数理学科,化学动力学和热化学等化学学科,以及生物质的热解与燃烧和生物体受热、烟、毒的损伤等生命科学的内容紧密相关;在工程技术学科方

面,安全工程,工程热物理(热流体,单相和多相传热与燃烧),材料科学(热过程对材料性能的影响,敏感材料与元件,阻燃剂/材料的设计,合成与评价),及信息科技(计算机视觉,模式识别,人工智能,可视化技术,网络—远距—资源的优化配置与调度)等,;。,火、工程技术科学和管理科学的多学科大跨度的交叉领域。

样,是没有意义的。因此,火灾安全科学必须开辟独立的研究方法。

312　,其研究方法的发。这个阶段的理论基础是人们承认火灾的随机性规律。人们通过整理和分析大量的火灾原始资料,归纳出火灾发生的统计性规律,例如说明在什么季节、什么时间、哪些区域、哪些行业容易失火,并将研究结果用各种图表或曲线的形式表示出来。

第二阶段为火灾的统计分析与模拟研究独立发展阶段。火灾研究开始与现代科学技术紧密结合,人们一方面继续运用先进的概率与统计理论来分析火灾数据的内在随机规律性,另一方面则通过火灾的模拟,研究火灾在一定条件下孕育、发生和发展的机理与规律。模拟研究的理论基础是承认火灾过程遵循确定性的规律,这种规律既可以在模拟实验中再现,也可以抽象成控制火灾过程的数学表达式(微分方程或代数方程)。模拟研究的意义在于,可以通过简化和近似,逐个研究影响火灾的各个分过程和各主要因素的作用,逐步揭示火灾的机理和规律。例如,用小型受限空间中的烟气运动模拟室内火灾烟气的运动,

用燃料床在热风洞内的燃烧模拟在一定环境下的林火行为,等等。模拟研究的成果有较大的普遍性,因为模拟研究常常是针对火灾中的共性问题而开展的。但是,小尺寸模拟实验研究毕竟是在某种近似的条件下进行的,由于火灾过程的复杂性,严格的相似准则往往很难建立,实验模拟方案所包含的近似必然导致研究结果与实际的偏离。这种近似会带来多大的误差?带有误差的研究结果有没有实际意义?是否有更合理的近似?这些令人感兴趣的问题都需要在实体实验与模拟研究的对比中寻求答案。模拟研究与实体试验对火灾科学研究都是必不可少的研究手段。

3　火灾安全科学的发展概况

311　燃烧学与火灾安全科学的关系

在火灾安全科学的发展进程中,现代燃烧理论理所当然是最重要的科学支撑之一,因为火灾现象本身实际上就是失去控制并造成危害的燃烧。20世纪70年代以来,随着燃烧基本理论,数学模型和激光诊断技术的发展,燃烧学由描述性的、半经验性的科学走向了严密科学。然而,基于化学流体力学的现代燃烧理论在成功地解决工程燃烧问题的同时,对于复杂的火灾问题却成效不大。工程燃烧学研究的课题主要致力于清洁、高效和经济地利用燃料,其研究对象的初始条件和边界条件是人为设计和控制的,环境条件也是容易控制的;而火灾安全科学则主要致力于环境条件不断变动的失控燃烧现象,即火灾现象。就火灾体系的可燃物和几何条件的复杂性与多变性、火灾体系受环境和气象因素影响的程度、火灾体系与灭火手段的相互影响、以及火灾体系与人的行为的相互影响等方面而言,火灾过程要比一般动力装置中的燃烧过程复杂得多,火灾系统所包含的非线性因素比工程燃烧系统要多很多。使用燃烧学中的化学流体力学方法来考察火灾问题一般要通过对火灾系统建立完整的(但往往是简化的)数学模型,然后通过数值计算等方法求解。这种方法在历史上形成了火灾现象的一种模拟

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