(3)火蔓延和煙氣運動的模擬理論

火的蔓延速度和強度是造成災害損失大小的關鍵因素,而煙氣常常是致人于死地的罪魁禍首,因此火蔓延和煙氣運動的機理是火災發(fā)展過程的研究重點。這方面研究主要包括:

①凝固相火蔓延和煙氣運動的模擬方法;

主要研究典型固液可燃物表面(油品、森林和草原

)火蔓延過程的機理和規(guī)律,以及大坡度、峽谷地形和地理氣象環(huán)境因素對火蔓延過程的影響,建立在這種影響下的火行為模型;研究火災煙氣在開放、受限和網絡空間中的運動規(guī)律。

②特殊火行為的非線性動力學[15]

特殊火行為如建筑物中的轟燃和熱煙氣回燃、

的性能設計

,將公共消防

(這種性能化火災法規(guī)以火災危險性評估和火災過程模擬為依據)的基礎上。性能設計是對傳統的“處方式”建筑防火設計體系的改革和補充。這方面需要重點發(fā)展的技術和方法包括:①“安全性能”的量化評估方法;②常用材料與建筑結構在常規(guī)及災害環(huán)境中的安全性能數據庫;③火災動力學演化過程的計算機模擬仿真技術;④經濟性分析方法;等等。414　以3S(GIS、GPS、RS)和火災確定性規(guī)律

為基礎的安全科學管理和應急預案

城市火災安全工程綜合管理系統包括基于地理信息系統、管理科學、人工智能、軟件工程等領域先進成果的城市火災安全工程地理信息超媒體數據庫,基于地理信息系統并結合火災虛擬現實、GIS、GPS和RS技術的城市消防和救援指揮調度

技術,以及基于地理信息系統的空間分析功能和路網分析功能的消防力量的優(yōu)化配置技術等。

5　火災安全科學的重要基礎研究問題

針對以上的火災安全技術層面的發(fā)展重點,當前火災安全科學需要研究的重要基礎問題包括:

(1)可燃物動力學系統成災的突變

可燃物動力學系統火災的形成在數學上對應于該系統在一定的參數條件下所發(fā)生的突變過程,對該過程的研究是揭示火災形成機理的關鍵問題。這方面的研究重點包括兩方面內容:①凝固相可燃物動力學系統由無焰氧化向災害轉化的突變機理;②

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21中國工程科學第3卷

高山峽谷中林火的蔓延、礦井火災中通風網絡風流紊亂等,往往危害極大,而迄今人們對這些現象機制的認識還很膚淺。這方面研究著重于探索樹冠火、飛火、火旋風、轟燃、回燃以及網絡空間煙流滾退、逆轉與節(jié)流等特殊火行為的特征及其非線性動力學機理。特殊火行為的復雜性源于它的非線性,控制其演化的微分方程組也是多維的和非線性的,但目前的通用數值方法(離散化方法和離散化得到的代數方程組的求解方法)是線性化的,從而在求解過程中破壞、掩蓋和抹殺了原控制方程組及火災體系的非線性特征。隨著非線性動力學的發(fā)展,目前就某些特定的簡化了的體系可以建立其特有的控制方程和數值方法,征的數值解,(4)法。

傳統的風險評估方法只是從統計學的角度來構建其理論體系。如何結合確定性動力學演化理論與統計理論來發(fā)展建立在對火災演化機理和規(guī)律現有認識基礎上的事件樹分析和故障樹分析等危險性統計評價方法,是火災風險評估方法學的重要研究課題。

②火災風險的動態(tài)模型。

對火災風險分析而言,基于統計理論的分析方法總體上是一種靜態(tài)分析方法。運用隨機過程模型構建評價火災風險的動態(tài)模型,借此研究某一系統特定條件下發(fā)生火災后風險概率的時間分布,發(fā)展體現火災隨時間傳播過程的風險評估理論,也是值得深入研究的課題。

③小樣本火災事件的風險評估。

樣本有限是火災等災害現象共同的特點。在災害事件樣本有限的情況下,如何對火災風險進行分析,是現實中經常遇到的問題。研究的重點在于運用信息擴散等模糊數學處理方法優(yōu)化利用火災樣本模糊信息,研究的重要工具是仍在不斷發(fā)展的小樣本統計理論。

(5)火災防治高新技術原理中的基礎問題

在阻燃材料的研究方面,阻燃聚合物分子設計、阻燃聚合物/層狀無機物納米復合材料的結構控制與阻燃原理是需要重點研究的基礎課題;在探測技術基礎方面,以圖像火災探測算法為代表的智

能算法代表了當今火災探測算法的重要研究方向;在滅火技術原理方面,需要重點研究水霧和凝膠等與火相互作用的機理和規(guī)律。

(6)多變量離散事件動態(tài)系統的優(yōu)化控制理論

研究關于火災撲救與調度指揮過程的多變量離散事件動態(tài)系統的優(yōu)化控制建模與決策理論,建立基于GIS,GPS

和RS技術的城市與地區(qū)火災撲救

與調度指揮優(yōu)化智能控制模型。

6　結束語

,并已取得了令國內外矚目的進展[16～25]。

在火災煙氣研究中,我國學者提出并發(fā)展了場—區(qū)—網模擬理論,重點研究和解決了三種模擬方式界面的處理,并建立了體現浮力影響,碳黑的生成與輸運,湍流及熱輻射相互作用的綜合理論模型[17]。目前這方面的研究已成為國際火災安全科學基礎研究的熱點之一。

為適應我國航天領域高科技發(fā)展的要求,我們進行了微重力條件下火災過程的研究,首次闡明了微重力場中可燃表面熱解的“表面燃料噴射效應”的重要作用,并首次實現了氣固耦合燃燒的理論模型及多維非定常數值模擬,揭示了微重力條件下火焰?zhèn)鞑サ囊恍┆毺噩F象的機理[18]。

在工業(yè)火災方面,我們利用自行研制的揚沸火災模擬實驗臺,通過不同尺度的模擬實驗,創(chuàng)立了在大環(huán)境噪聲條件下,揚沸前兆噪聲的辯識方法[19]。

在火災非線性動力學方面,我國已經開始了將非線性的理論和實驗方法用于火災過程的研究。非線性問題并不是一個近期才引起重視的新問題,但將非線性科學的概念引入到火災安全科學,在國際上還處于起步階段。我們從理論上推導了湍流擴散火焰的分形面隨表征湍流擴散的化學當量比分形截面以及湍流預混火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?首次得到了湍流擴散火焰面分形維數隨化學當量比分形維數和湍流預混火焰平均傳播速度的重要關系。針對礦井通風系統中經常發(fā)生的風機“喘振”、風網“激振”等失穩(wěn)現象

,我們利用非線性動力學分析方法建立了通風系統的非線性數學模型,初步解釋了通風系

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第1期范維澄等:火災安全科學———一個新興交叉的工程科學領域

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Fire

統運動和結構穩(wěn)定性的變化及分岔過程。

以認識火災早期特性為目標,我們成功地發(fā)展了描述生物質材料熱解失重行為的“雙組分分階段

[20]

一級反應動力學模型”,該模型為生物質著火過

～391

geoffiremodelling[J].FireSafety

～132.

程和火蔓延過程的模擬提供了可靠的熱解失重動力學描述。

在大空間建筑火災的探測和撲救方面,我們針對目前普遍存在的火災誤報、漏報和報警延誤等問題,通過對火災的熱、煙、色、形、光譜及運動特性的研究,提出了基于火災早期影像特征的火災圖象多重識別模式,并首次實現了火災的真三維定位;針對火焰遮擋問題,建立了多光束、多目標、大面積光截面感煙技術[22]展的大空間火災探測、(經濟效益。

在過去二十年間,我國的火災安全科技界在火災安全基礎研究和應用基礎研究方面,已經取得了十分令人鼓舞的成就。火災安全科技在中國乃至全球的發(fā)展,將有希望給人類帶來一個幾乎可以免受火災危害的地球。應該看到,就整體研究水平而言,我們與發(fā)達國家還有較大差距,但無庸諱言,中國的火災安全研究在科學積累,實驗裝備,信息資料積累,研究隊伍建設和國內外學術合作等諸方面已經有了很好的基礎,具備了在火災安全關鍵科學問題上取得突破性進展的能力,在新世紀必將大有作為。

致謝:本文的完成得到國家科技部九五攻關項目“重大工業(yè)事故與建筑火災的預防和控制技術的研究”,國家自然科學基金委重點項目“火災防治中的熱物理問題研究”(59336140)和“若干特殊火行為研究”(59936140)的資助,特此表示感謝。

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