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9　

另一种模拟研究方法是计算机模拟[2～6]。在计算模拟理论方面,作为三种主要的火灾烟气流动

模拟方法,区域模拟(zonemodeling)、场模拟(fieldmodeling)和场区网模拟(field2zone2networkmodeling)的研究都已经获得了很大的进步,其中

机性的一面。例如:给定环境和火源条件的室内火灾烟气的运动规律是确定的,这个规律可以通过模拟研究逐步认识,但是在实际的火灾过程中,众多因素(如风向与风速等环境因素)常常变化,而且这种变化往往带有随机性,从而导致了实际火灾发展过程的随机性。起火过程也是如此。人们不可能预测在一片森林的何处何时一定起火,因此起火研究的目标只能是给出起火的几率(可能性)随可燃物和气象等条件的变化趋势,而不是试图预报在一。在火灾系统这个时空范围内,,这就决定了火灾发火灾具有确定性和随机性,决定了火灾安全科学在随机性研究和确定性研究彼此分立很长时期以后,必定要走向统一。而今,火灾安全科学的研究已经逐渐步入这个阶段,在这方面研究的深度和广度正不断扩大。313　火灾安全技术层面研究的发展概况

前两项模拟理论已经相当完善。20世纪70年代初,美国哈佛大学的Emmons教授将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理巧妙地运用到建筑火灾的研究上,发展了建筑火灾烟气区域模拟思想。这种模拟方法是将被研究的火灾区域划分为较少的几个部分进行简化模拟,目前基于这种方法的多个通用性程序已经发布,并已开始付诸应用。这种方法的缺点是无法得到流场的细节,。这一点早已经为很多的研究实例所验证。对于场模拟而言,模拟算法本身的复杂性和计算机能力的限制,使这种方法在理论上仍存在不少困难,难以在工程实际当中完全采用这种方法来模拟火灾过程。在国家自然科学基金委八五重点项目“火灾过程和防治中的热物理问题研究”当中,我国火灾科学家针对区域模拟和场模拟各自的不足,创造性地提出了分析建筑火灾烟气流动的场—区—网模拟思想[7],即对强火源或强通风的区域采用场模拟,对其邻近的区域采用区域模拟,而对相隔较远的区域采用网络模拟。这种模拟思想相对于区域模拟来说提高了模拟的精确性,而相对于场模拟来说降低了算法复杂性,因而被国内外学者认为是适合于高层建筑火灾烟气运动模拟的一种很有前途的方法,并已被英国和日本等国的相关研究机构采用。

与烟气运动直接相关的火蔓延过程,其计算模

拟理论已经走过了从统计模型(statisticalmodel)到经验性模型(empiricalmodel),再到物理性模型(physicalmodel)的科学发展历程[8]。统计模型只对火灾实验进行统计描述;经验性模型则基于能量守恒原理建立火灾系统的数学描述,但不考虑火灾过程中动态的传热传质过程;物理性模型则要详细考虑控制火灾过程的热传导、热对流、热辐射、可燃物热解、质量输运和着火过程。

第三阶段为火灾的统计研究与模拟研究有机结合的阶段。火灾的规律既有确定性的一面,又有随

火灾安全科学的任务不仅是为了科学地认识火灾过程的规律,而且还要为火灾的科学防治提供先进的技术原理。原理的提出一方面要基于对火灾过程的科学认识,另一方面要合理地利用和发展现有的其它工程学科的技术研究成就。在第83次香山科学会议的主题评述报告“火灾科学的新理论及洁净、智能防灭火技术”中[9],我国学者根据当前火灾防治技术的国际发展趋势,明确提出“智能与洁净”是火灾防治技术在新的发展阶段所应该追求的目标。所谓“智能化”,是从火灾的防治特性的角度来提出的。火灾发生的随机性与突发性,和火灾发展的迅猛性与破坏性,决定了火灾防治必须具备如下特性:①火灾监测的长期性和可靠性;②火灾探测的及时性和准确性;③火灾扑救的有效性和经济性。由此,火灾防治技术系统的特征应当是:①各种技术在火灾系统中所体现的综合性;②技术之间存在的相互关联性;③各种技术依据火灾规律而动作的有序性。研究能够实现这些特征的火灾防治技术系统,其目标必定是具备智能化功能的系统。“洁净化”是从火灾的环境特性的角度提出的。火灾是一个开放系统,与周围的环境存在着能量和质量的交换,

这种交换的必然结果是人类生存环境受到污染。直接由火灾造成的污染称为“一次性环境污染”,而对“一次性环境污染”进行控制的手段不当造成的新的污染称为“二次性环境污染”。

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01中国工程科学第3卷

洁净化火灾防治技术致力于在有效地进行火灾防治的过程中不产生或少产生这两种污染。

已经发展和正在发展的火灾安全技术原理贯穿火灾发生和发展的全过程。例如,从防止火灾发生和发展的角度进行洁净的的阻燃和防火材料的研究,和从火灾扑救过程的角度进行洁净灭火剂的研究,等等。含卤聚合物在阻燃技术发展中曾发挥过很大作用,但因燃烧时产生大量的有毒、有害气体,并且其中的卤化氢物质遇水后极易形成酸性物,造成酸雨,因此是容易造成“二次性环境污染”的一种阻燃技术。低卤阻燃抑烟化技术就成为了目前洁净火灾防治技术的前沿性研究课题。再例如,在灭火剂中,因产生“到普遍关注的哈龙灭火剂,成的“,。目前认为,最理想的这类物质可能就是水。先进的水喷淋灭火技术和水雾灭火技术是当前的热门研究课题。

除了火灾防治技术原理的研究之外,火灾安全工程设计方法学也是火灾安全科学在技术层面上的重要研究课题。由于火灾过程的复杂性,火灾作为灾害事件的偶发性,以及现有信息资料和理论知识的不完备性,使得火灾风险评估体系不能期望建立在对灾害自身确定性规律的完备认识的基础上,风险评估本身既涉及确定性又涉及不确定性,而其不确定性既包含随机不确定性又包含模糊不确定性。迄今,火灾风险评估的方法学已成为火灾科学基础研究中的另一重要课题,其研究内容同时涉及到灾害的自然属性和社会属性两个方面。在火灾机理和规律已有知识的基础上,运用数值模拟技术,统计理论,随机过程理论和模糊数学理论的火灾风险评估方法已经开始受到学术界的广泛重视,其基础理论方面的研究方兴未艾。314　小结

论方法,为技术原理的发展提供科学依据;另一方面,实际的火灾防治不断通过技术层面的研究内容对基础研究提出要求,从而刺激和推动火灾安全基础研究的发展。基础研究建立的理论和方法,也必须通过技术层面的研究,进而通过实际的技术应用,在实际的火灾防治当中去得到检验与修正。

4　当前火灾安全技术层面的发展重点

当前,全球对火灾科学防治越来越高的要求促使火灾安全工程在技术层面上必须发生以下三个转变:

(“清洁阻

、;

(2)由传统的“处方式”设计向科学的安全工程设计的转变;

(3)由火灾防治的传统管理模式向科学管理和应急预案模式的转变。

这三个革命性转变的实现依赖于在火灾安全工程关键技术环节上的创新。火灾安全工程的关键环节主要包括以下六个方面:①火灾危险源和隐患的辨识与评价;②阻燃;③早期、迅速、准确地探测;④灭火和救援;⑤火灾安全工程性能设计;⑥火灾防治的日常管理与应急预案。

411　以量化和动态为特征的火灾危险性评估

火灾的双重性规律决定了科学的危险性评估方法应该既考虑确定性规律又涉及不确定性(包含随机不确定性和模糊不确定性)规律,这就决定了火灾危险性评估的发展趋势为:①建立评价危险源的指标体系和量化方法,并利用模糊数学和信息扩散理论等建立基于不完备样本的风险评估统计模型。②利用数据库技术,综合考虑所考察对象的环境因素,建立基于火灾确定性规律的动态风险评估模型。

412　“清洁阻燃

、智能探测和清洁快速高效定位灭

作为火灾安全科学的两项主要内容,科学地认识火灾过程,与科学地发展火灾防治技术,这两方面迄今都已经得到了很大的发展,在发展过程中它们始终保持相互依赖与促进的关系。一方面,对火灾过程的科学认识是发展火灾防治技术的基础,同时也是发展火灾安全工程设计方法和建立火灾系统的科学管理与决策体系的前提。基础层面的理论成果能不断提供新技术发展所必需的新思想和新的理

火”的新一代火灾防治技术

清洁高效阻燃技术应保证在尽可能降低阻燃材料的可燃性、提高其耐火性的同时,在阻燃材料的生产、使用过程中无毒,不产生大量烟气;性能稳定、耐用。无卤清洁复合阻燃剂和聚合物/层状无机物纳米复合材料是这方面发展的重点。

实践中发现,以单一物理参量阈值型的方式进行火灾监测,常常是传统火灾探测中误报警的根

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源。解决误报警问题已成为提高火灾探测准确性的关键所在。重点需要发展基于神经网络、模糊逻辑的多信号、多判据探测技术,其中,对气体的探测技术,无线探测与预警技术,图象模式识别型感火、烟和感过热技术是发展的重点[10]。在监控技术方面,应重点发展火灾监控与楼宇安全及管理的系统集成技术。

现代社会对抑制灾害的方法提出更高的要求,即:快速响应,灭火高效,对环境和逃生人员安全,对扑救和防护对象无破坏作用,特别是能迅速应付特殊灾害行为的挑战。对于灭火剂来说,哈龙灭火剂的替代物是当前的发展重点,诱导疏散的声光技术等也须得到重点发展。

413　工业过程可燃混合物动力学系统的突变机理。无焰氧化包含常温氧化和阴燃。中国是以煤为主要能源的大国,而常温氧化现象引起我国煤田自燃年损失优质煤达1000万吨;森林大火很多也都是由于林地可燃物发生常温氧化引起的;常温氧化现象还引起我国大型粮库发生自燃和微爆现象,损失巨大。阴燃是另一种无焰氧化现象。相对于常温氧化来说,阴燃的温度一般很高。阴燃是造成火灾的最常见原因之一。工业可燃混合物的火灾与爆炸现象紧密相关,我国每年因瓦斯、煤尘、气云和其它粉尘所有这些典型的成灾,,因此需要重点研究,稳定性变化和突变机理。

(2)大规模森林火灾的预测

大规模森林火灾临界危险状态及重灾年、季的早期辨识和预测,对有效地预防和能动地控制森林火灾具有极为重要的意义。迄今,基于元胞自动机和分形学的森林火灾模型已经成为研究自然系统的一般相变现象和自组织临界性的最佳模型[11～14]。当前这方面研究正试图综合运用非平衡态统计热力学、耗散结构自组织理论、突变理论、相变理论、动力系统理论、分形学和元胞自动机理论等,探索大规模森林火灾的自组织临界性形成机理,及其作为非线性非平衡复杂系统所具有的的自组织临界行为的规律,从而揭示大规模森林火灾气象环境模态、成因规律,林火重灾年、季的成因机理,以及大规模森林火灾与全球气候变化的关系,最终建立森林火灾的早期跟踪、辨识和预测理论。