(3)火蔓延和煙氣運(yùn)動的模擬理論

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

①凝固相火蔓延和煙氣運(yùn)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(jī)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(zāi)煙氣在開放、受限和網(wǎng)絡(luò)空間中的運(yùn)動規(guī)律。

②特殊火行為的非線性動力學(xué)[15]

特殊火行為如建筑物中的轟燃和熱煙氣回燃、

的性能設(shè)計

,將公共消防

(這種性能化火災(zāi)法規(guī)以火災(zāi)危險性評估和火災(zāi)過程模擬為依據(jù))的基礎(chǔ)上。性能設(shè)計是對傳統(tǒng)的“處方式”建筑防火設(shè)計體系的改革和補(bǔ)充。這方面需要重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)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(jié)構(gòu)在常規(guī)及災(zāi)害環(huán)境中的安全性能數(shù)據(jù)庫;③火災(zāi)動力學(xué)演化過程的計算機(jī)模擬仿真技術(shù);④經(jīng)濟(jì)性分析方法;等等。414　以3S(GIS、GPS、RS)和火災(zāi)確定性規(guī)律

為基礎(chǔ)的安全科學(xué)管理和應(yīng)急預(yù)案

城市火災(zāi)安全工程綜合管理系統(tǒng)包括基于地理信息系統(tǒng)、管理科學(xué)、人工智能、軟件工程等領(lǐng)域先進(jìn)成果的城市火災(zāi)安全工程地理信息超媒體數(shù)據(jù)庫,基于地理信息系統(tǒng)并結(jié)合火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)、GIS、GPS和RS技術(shù)的城市消防和救援指揮調(diào)度

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

5　火災(zāi)安全科學(xué)的重要基礎(chǔ)研究問題

針對以上的火災(zāi)安全技術(shù)層面的發(fā)展重點(diǎn),當(dāng)前火災(zāi)安全科學(xué)需要研究的重要基礎(chǔ)問題包括:

(1)可燃物動力學(xué)系統(tǒng)成災(zāi)的突變

可燃物動力學(xué)系統(tǒng)火災(zāi)的形成在數(shù)學(xué)上對應(yīng)于該系統(tǒng)在一定的參數(shù)條件下所發(fā)生的突變過程,對該過程的研究是揭示火災(zāi)形成機(jī)理的關(guān)鍵問題。這方面的研究重點(diǎn)包括兩方面內(nèi)容:①凝固相可燃物動力學(xué)系統(tǒng)由無焰氧化向?yàn)?zāi)害轉(zhuǎn)化的突變機(jī)理;②

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21中國工程科學(xué)第3卷

高山峽谷中林火的蔓延、礦井火災(zāi)中通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流紊亂等,往往危害極大,而迄今人們對這些現(xiàn)象機(jī)制的認(rèn)識還很膚淺。這方面研究著重于探索樹冠火、飛火、火旋風(fēng)、轟燃、回燃以及網(wǎng)絡(luò)空間煙流滾退、逆轉(zhuǎn)與節(jié)流等特殊火行為的特征及其非線性動力學(xué)機(jī)理。特殊火行為的復(fù)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(shù)值方法(離散化方法和離散化得到的代數(shù)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(zāi)體系的非線性特征。隨著非線性動力學(xué)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(shù)值方法,征的數(shù)值解,(4)法。

傳統(tǒng)的風(fēng)險評估方法只是從統(tǒng)計學(xué)的角度來構(gòu)建其理論體系。如何結(jié)合確定性動力學(xué)演化理論與統(tǒng)計理論來發(fā)展建立在對火災(zāi)演化機(jī)理和規(guī)律現(xiàn)有認(rèn)識基礎(chǔ)上的事件樹分析和故障樹分析等危險性統(tǒng)計評價方法,是火災(zāi)風(fēng)險評估方法學(xué)的重要研究課題。

②火災(zāi)風(fēng)險的動態(tài)模型。

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

③小樣本火災(zāi)事件的風(fēng)險評估。

樣本有限是火災(zāi)等災(zāi)害現(xiàn)象共同的特點(diǎn)。在災(zāi)害事件樣本有限的情況下,如何對火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行分析,是現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常遇到的問題。研究的重點(diǎn)在于運(yùn)用信息擴(kuò)散等模糊數(shù)學(xué)處理方法優(yōu)化利用火災(zāi)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(tǒng)計理論。

(5)火災(zāi)防治高新技術(shù)原理中的基礎(chǔ)問題

在阻燃材料的研究方面,阻燃聚合物分子設(shè)計、阻燃聚合物/層狀無機(jī)物納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)控制與阻燃原理是需要重點(diǎn)研究的基礎(chǔ)課題;在探測技術(shù)基礎(chǔ)方面,以圖像火災(zāi)探測算法為代表的智

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

(6)多變量離散事件動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化控制理論

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

和RS技術(shù)的城市與地區(qū)火災(zāi)撲救

與調(diào)度指揮優(yōu)化智能控制模型。

6　結(jié)束語

,并已取得了令國內(nèi)外矚目的進(jìn)展[16～25]。

在火災(zāi)煙氣研究中,我國學(xué)者提出并發(fā)展了場—區(qū)—網(wǎng)模擬理論,重點(diǎn)研究和解決了三種模擬方式界面的處理,并建立了體現(xiàn)浮力影響,碳黑的生成與輸運(yùn),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(zāi)安全科學(xué)基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)之一。

為適應(yīng)我國航天領(lǐng)域高科技發(fā)展的要求,我們進(jìn)行了微重力條件下火災(zāi)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(yīng)”的重要作用,并首次實(shí)現(xiàn)了氣固耦合燃燒的理論模型及多維非定常數(shù)值模擬,揭示了微重力條件下火焰?zhèn)鞑サ囊恍┆?dú)特現(xiàn)象的機(jī)理[18]。

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

在火災(zāi)非線性動力學(xué)方面,我國已經(jīng)開始了將非線性的理論和實(shí)驗(yàn)方法用于火災(zāi)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(xué)的概念引入到火災(zāi)安全科學(xué),在國際上還處于起步階段。我們從理論上推導(dǎo)了湍流擴(kuò)散火焰的分形面隨表征湍流擴(kuò)散的化學(xué)當(dāng)量比分形截面以及湍流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?首次得到了湍流擴(kuò)散火焰面分形維數(shù)隨化學(xué)當(dāng)量比分形維數(shù)和湍流預(yù)混火焰平均傳播速度的重要關(guān)系。針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的風(fēng)機(jī)“喘振”、風(fēng)網(wǎng)“激振”等失穩(wěn)現(xiàn)象

,我們利用非線性動力學(xué)分析方法建立了通風(fēng)系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型,初步解釋了通風(fēng)系

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第1期范維澄等:火災(zāi)安全科學(xué)———一個新興交叉的工程科學(xué)領(lǐng)域

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Fire

統(tǒng)運(yùn)動和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化及分岔過程。

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

[20]

一級反應(yīng)動力學(xué)模型”,該模型為生物質(zhì)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(xué)描述。

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

在過去二十年間,我國的火災(zāi)安全科技界在火災(zāi)安全基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面,已經(jīng)取得了十分令人鼓舞的成就�；馂�(zāi)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(zāi)危害的地球。應(yīng)該看到,就整體研究水平而言,我們與發(fā)達(dá)國家還有較大差距,但無庸諱言,中國的火災(zāi)安全研究在科學(xué)積累,實(shí)驗(yàn)裝備,信息資料積累,研究隊(duì)伍建設(shè)和國內(nèi)外學(xué)術(shù)合作等諸方面已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ),具備了在火災(zāi)安全關(guān)鍵科學(xué)問題上取得突破性進(jìn)展的能力,在新世紀(jì)必將大有作為。

致謝:本文的完成得到國家科技部九五攻關(guān)項(xiàng)目“重大工業(yè)事故與建筑火災(zāi)的預(yù)防和控制技術(shù)的研究”,國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目“火災(zāi)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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