(3)火蔓延和烟气运动的模拟理论

火的蔓延速度和强度是造成灾害损失大小的关键因素,而烟气常常是致人于死地的罪魁祸首,因此火蔓延和烟气运动的机理是火灾发展过程的研究重点。这方面研究主要包括:

①凝固相火蔓延和烟气运动的模拟方法;

主要研究典型固液可燃物表面(油品、森林和草原

)火蔓延过程的机理和规律,以及大坡度、峡谷地形和地理气象环境因素对火蔓延过程的影响,建立在这种影响下的火行为模型;研究火灾烟气在开放、受限和网络空间中的运动规律。

②特殊火行为的非线性动力学[15]

特殊火行为如建筑物中的轰燃和热烟气回燃、

的性能设计

,将公共消防

(这种性能化火灾法规以火灾危险性评估和火灾过程模拟为依据)的基础上。性能设计是对传统的“处方式”建筑防火设计体系的改革和补充。这方面需要重点发展的技术和方法包括:①“安全性能”的量化评估方法;②常用材料与建筑结构在常规及灾害环境中的安全性能数据库;③火灾动力学演化过程的计算机模拟仿真技术;④经济性分析方法;等等。414　以3S(GIS、GPS、RS)和火灾确定性规律

为基础的安全科学管理和应急预案

城市火灾安全工程综合管理系统包括基于地理信息系统、管理科学、人工智能、软件工程等领域先进成果的城市火灾安全工程地理信息超媒体数据库,基于地理信息系统并结合火灾虚拟现实、GIS、GPS和RS技术的城市消防和救援指挥调度

技术,以及基于地理信息系统的空间分析功能和路网分析功能的消防力量的优化配置技术等。

5　火灾安全科学的重要基础研究问题

针对以上的火灾安全技术层面的发展重点,当前火灾安全科学需要研究的重要基础问题包括:

(1)可燃物动力学系统成灾的突变

可燃物动力学系统火灾的形成在数学上对应于该系统在一定的参数条件下所发生的突变过程,对该过程的研究是揭示火灾形成机理的关键问题。这方面的研究重点包括两方面内容:①凝固相可燃物动力学系统由无焰氧化向灾害转化的突变机理;②

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21中国工程科学第3卷

高山峡谷中林火的蔓延、矿井火灾中通风网络风流紊乱等,往往危害极大,而迄今人们对这些现象机制的认识还很肤浅。这方面研究着重于探索树冠火、飞火、火旋风、轰燃、回燃以及网络空间烟流滚退、逆转与节流等特殊火行为的特征及其非线性动力学机理。特殊火行为的复杂性源于它的非线性,控制其演化的微分方程组也是多维的和非线性的,但目前的通用数值方法(离散化方法和离散化得到的代数方程组的求解方法)是线性化的,从而在求解过程中破坏、掩盖和抹杀了原控制方程组及火灾体系的非线性特征。随着非线性动力学的发展,目前就某些特定的简化了的体系可以建立其特有的控制方程和数值方法,征的数值解,(4)法。

传统的风险评估方法只是从统计学的角度来构建其理论体系。如何结合确定性动力学演化理论与统计理论来发展建立在对火灾演化机理和规律现有认识基础上的事件树分析和故障树分析等危险性统计评价方法,是火灾风险评估方法学的重要研究课题。

②火灾风险的动态模型。

对火灾风险分析而言,基于统计理论的分析方法总体上是一种静态分析方法。运用随机过程模型构建评价火灾风险的动态模型,借此研究某一系统特定条件下发生火灾后风险概率的时间分布,发展体现火灾随时间传播过程的风险评估理论,也是值得深入研究的课题。

③小样本火灾事件的风险评估。

样本有限是火灾等灾害现象共同的特点。在灾害事件样本有限的情况下,如何对火灾风险进行分析,是现实中经常遇到的问题。研究的重点在于运用信息扩散等模糊数学处理方法优化利用火灾样本模糊信息,研究的重要工具是仍在不断发展的小样本统计理论。

(5)火灾防治高新技术原理中的基础问题

在阻燃材料的研究方面,阻燃聚合物分子设计、阻燃聚合物/层状无机物纳米复合材料的结构控制与阻燃原理是需要重点研究的基础课题;在探测技术基础方面,以图像火灾探测算法为代表的智

能算法代表了当今火灾探测算法的重要研究方向;在灭火技术原理方面,需要重点研究水雾和凝胶等与火相互作用的机理和规律。

(6)多变量离散事件动态系统的优化控制理论

研究关于火灾扑救与调度指挥过程的多变量离散事件动态系统的优化控制建模与决策理论,建立基于GIS,GPS

和RS技术的城市与地区火灾扑救

与调度指挥优化智能控制模型。

6　结束语

,并已取得了令国内外瞩目的进展[16～25]。

在火灾烟气研究中,我国学者提出并发展了场—区—网模拟理论,重点研究和解决了三种模拟方式界面的处理,并建立了体现浮力影响,碳黑的生成与输运,湍流及热辐射相互作用的综合理论模型[17]。目前这方面的研究已成为国际火灾安全科学基础研究的热点之一。

为适应我国航天领域高科技发展的要求,我们进行了微重力条件下火灾过程的研究,首次阐明了微重力场中可燃表面热解的“表面燃料喷射效应”的重要作用,并首次实现了气固耦合燃烧的理论模型及多维非定常数值模拟,揭示了微重力条件下火焰传播的一些独特现象的机理[18]。

在工业火灾方面,我们利用自行研制的扬沸火灾模拟实验台,通过不同尺度的模拟实验,创立了在大环境噪声条件下,扬沸前兆噪声的辩识方法[19]。

在火灾非线性动力学方面,我国已经开始了将非线性的理论和实验方法用于火灾过程的研究。非线性问题并不是一个近期才引起重视的新问题,但将非线性科学的概念引入到火灾安全科学,在国际上还处于起步阶段。我们从理论上推导了湍流扩散火焰的分形面随表征湍流扩散的化学当量比分形截面以及湍流预混火焰传播速度的变化,首次得到了湍流扩散火焰面分形维数随化学当量比分形维数和湍流预混火焰平均传播速度的重要关系。针对矿井通风系统中经常发生的风机“喘振”、风网“激振”等失稳现象

,我们利用非线性动力学分析方法建立了通风系统的非线性数学模型,初步解释了通风系

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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

[5]　BeardA.Limitationsofcom

SafetyJournal,1992,18,375

[6]　CoxG.Thechallen

Journal1994,23,123

putermodels

[J].

　31

Fire

统运动和结构稳定性的变化及分岔过程。

以认识火灾早期特性为目标,我们成功地发展了描述生物质材料热解失重行为的“双组分分阶段

[20]

一级反应动力学模型”,该模型为生物质着火过

～391

geoffiremodelling[J].FireSafety

～132.

程和火蔓延过程的模拟提供了可靠的热解失重动力学描述。

在大空间建筑火灾的探测和扑救方面,我们针对目前普遍存在的火灾误报、漏报和报警延误等问题,通过对火灾的热、烟、色、形、光谱及运动特性的研究,提出了基于火灾早期影像特征的火灾图象多重识别模式,并首次实现了火灾的真三维定位;针对火焰遮挡问题,建立了多光束、多目标、大面积光截面感烟技术[22]展的大空间火灾探测、(经济效益。

在过去二十年间,我国的火灾安全科技界在火灾安全基础研究和应用基础研究方面,已经取得了十分令人鼓舞的成就。火灾安全科技在中国乃至全球的发展,将有希望给人类带来一个几乎可以免受火灾危害的地球。应该看到,就整体研究水平而言,我们与发达国家还有较大差距,但无庸讳言,中国的火灾安全研究在科学积累,实验装备,信息资料积累,研究队伍建设和国内外学术合作等诸方面已经有了很好的基础,具备了在火灾安全关键科学问题上取得突破性进展的能力,在新世纪必将大有作为。

致谢:本文的完成得到国家科技部九五攻关项目“重大工业事故与建筑火灾的预防和控制技术的研究”,国家自然科学基金委重点项目“火灾防治中的热物理问题研究”(59336140)和“若干特殊火行为研究”(59936140)的资助,特此表示感谢。

参考文献

[1]　公安部消防局主编1中国火灾统计年鉴2000版

[M]1北京:中国人民公安大学出版社,2000

[2]　周力行1燃烧理论和化学流体力学[M]1北京:科

[7]　范维澄主编1火灾科学导论[M]1武汉:湖北科学

技术出版社,1993.

[8]　WeberRO.Modellin

gfirespreadthroughfuelbeds

[J].ProgEnergyCombusSci,1991,17,67

～82

[9]　范维澄,程晓舫,谢之康1火灾科学的新理论及洁

净、智能防灭火技术[A]1北京第83次香山科学会议主题评述报告[C]1～20

[10][11]

　吴龙标,袁宏永1[M]1合肥,1999.2organizedcriticalbehaviorence,1998,281,1840

[J].Sci2

～1842.

2

[12]　PatzlaffH,TrimperS.Analyticalapproachtothefor

est2firemodel[J].PhysicsLetterA,1994,189,187

～192.

[13]

　GrassbergerP.OnaSelf

2089.

2organizedcriticalforest2fire

～

model[J].JPhysA:MathGen,1993,26,2081

[14]

　WyboJL.FMIS:Adecisionsupportsystemforforest

firepreventionandfighting[J].IEEETransactionsonEngineeringManagement,1998,45,127

[15]

～131

2

　FanWC.Onthenonlinearfired

ceedingsoftheThirdAsia

ynamics[A].Pro

2OceaniaSymposiumonFire

ScienceandTechnology[C].Singapore,1998

[16][17]

　赵宪文.森林火灾预报的新视角[J]1中国工程科学,2000,

(5):66～711

　FuZ,FanWC.AZone

anditssensitivit1996,20,215

2typeModelforabuildingfire

yanalysis[J].FireandMaterials,predictionofflame

gravityenvi2

～224

[18]　JiangX,FanWC.Numerical

spreadoversolidcombustiblesinamicro298

[19]

ronment[J].FireSafetyJournal,1995,24,279～

　HuaJS,FanWC,LiaoGX.Stud

micro2explosionmoiseJournal,1998,30,269