2001年1月第

3卷第1期

中國工程科學Jan12001Vol13No11

專題報告

火災安全科學———

一個新興交叉的工程科學領域

范維澄,劉乃安

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,合肥　230026[摘要]　,。20世紀后期以

來,,論述了這門學科的任務,。;交叉科學[關鍵詞]1　引言

自人類有史以來,火災就成為危害人類最持

久、最劇烈的災害之一。在經(jīng)濟高速發(fā)展的現(xiàn)代社會,火災的科學防治已經(jīng)成為社會安全保障的重要組成部分。然而,由于火災現(xiàn)象自身的復雜性,以及科學理論和科技手段等方面的限制,人類對火災的科學認識在歷史上長期停留在表象觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計層次上,一直未能形成以揭示火災復雜性本質(zhì)為目標的相應學科。20世紀70年代以來的二三十年間,迅速崛起的燃燒理論、科學計算技術、非線性動力學理論、系統(tǒng)安全原理、宏觀與小尺度動態(tài)測量技術、以及信息技術等,為系統(tǒng)地針對火災復雜性問題進行科學攻關提供了充分的理論支持和技術手段,從而為火災安全科學的發(fā)展創(chuàng)造了良好的契機。正因如此,世界主要發(fā)達國家在80年代后期以來都開始針對前沿性的火災科學問題開展國家級研究和國際間合作,各國的火災科學研究基地不斷擴大,國際火災安全科學學會(InternationalAsso2ciationofFireSafetyScience,IAFSS)以及各地區(qū)性的火災科學技術協(xié)會也相繼成立,致力于團結各國的研究人員協(xié)力開展前沿性火災安全科學研究。

[收稿日期]　2000-09-18

[基金項目]　國家自然科學基金資助項目(59336140,59936140

)

作為一門以火這一古老現(xiàn)象為基本研究對象的新興

學科,火災安全科學以其鮮明的前沿性、交叉性和挑戰(zhàn)性,已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個特色鮮明、充滿生機和活力的工程科學領域。

2　火災安全科學的任務

火災安全科學的迅猛發(fā)展有其深刻的社會背景。20世紀中葉以來,戰(zhàn)后的全球在經(jīng)濟復蘇的同時也越來越感受到火災的威脅,火災的劇烈程度與經(jīng)濟的發(fā)達程度往往呈現(xiàn)出正相關關系,經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的火災造成的損失一般遠高于經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)。以我國1999年的火災數(shù)據(jù)為例[1],圖1是我國在該年的火災直接損失(directpropertylosses,DPL)情況(不含森林、草原、軍隊火災),其中陰影標識的省份分別是我國沿海經(jīng)濟發(fā)達的江蘇,浙江,福建,山東與廣東�？梢钥闯�,在這些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)相應的火災損失比其它經(jīng)濟較不發(fā)達地區(qū)的火災損失要大得多。以上5個省份在1999年全年共發(fā)生60549次火災,導致1017人死亡,受傷1582人,并造成5130×108元直接財產(chǎn)損失,這三項損失指標分別占中國當年總損失的3711%,3416%和3710%。3417%的特(重)大火災發(fā)生

[作者簡介]　范維澄(1943-),湖北鄂州市人,中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室教授

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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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在這5個省份,造成的損失占全國特(重)大火災

損失的3515%。大規(guī)模的森林和草原火災在造成重大生命財產(chǎn)損失的同時,還往往對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。1997年的印度尼西亞森林火災所產(chǎn)生的污染性煙塵波及一些東南亞國家,嚴重影響了這些國家正常的生活節(jié)奏,大火造成的生態(tài)平衡將給東南亞氣候變化帶來長期影響;1987年的大興安嶺火災和1996年的內(nèi)蒙古森林草原火災,都給我

國的生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。無論是在當今中國還是在其它國家,減少火災對生產(chǎn)、生活及資源環(huán)境的危害都已經(jīng)成為國家的重大需求。要滿足這一重大需求,科技減災是必由之路�；馂目萍挤乐蔚目傮w目標是通過發(fā)展先進的火災防治技術,并依賴科學的火災安全工程設計體系和火災的科學管理與應急預案體系,來實現(xiàn)火災防治有效性和經(jīng)濟性的科學統(tǒng)一

。

圖1　1999年中國各省、自治區(qū)、直轄市火災直接財產(chǎn)損失比較

(fromthedataof1999Fig11　ComparisonofthefireinducedDPLforallprovincesinChina

　　火災過程是一種具有復雜性本質(zhì)的科學研究對

象,其孕育、發(fā)生和發(fā)展包含著湍流流動、相變、傳熱傳質(zhì)和復雜化學反應等物理化學作用,是一種涉及物質(zhì)、動量、能量和化學組份在復雜多變的環(huán)境條件下相互作用的三維、多相、多尺度

、非定常、非線性、非平衡態(tài)的動力學過程;該動力學過程還與作為外部因素的人、材料、環(huán)境及其它干預因素等發(fā)生相互作用�；馂牡膹碗s性包括兩方面的內(nèi)容:①火災確定性動力學系統(tǒng)的復雜性。這里所說的確定性,是指所考察的火災動力學系統(tǒng)其環(huán)境條件和火源條件均已給定,從而對該系統(tǒng)火蔓延過程和煙氣運動的動力學描述在數(shù)學上是確定的。這種確定性火災動力學系統(tǒng)在物理和數(shù)學上表現(xiàn)出來的復雜性源于火災系統(tǒng)自身各構成要素之間的耦合性和時空的非均勻性等非線性作用,以及火災系統(tǒng)與其外部因素的耦合構成的非線性作用。②火災的

)

隨機性。當火災被作為一種災害事故來看待時,從

總體上看,其發(fā)生原因、發(fā)生形式、發(fā)生環(huán)境、可燃物種類及其分布等諸多因素是不確定的,這就形成了火災發(fā)生和發(fā)展的隨機性。隨機性是構成火災復雜性的另一方面重要內(nèi)容,也是一般災害現(xiàn)象共有的特征。

對火災的科學認識實際上就是對火災的確定性和隨機性這兩種復雜性的深入認識。認識這兩種復雜性的科學手段截然不同。研究火災確定性規(guī)律的手段是模擬,包括實驗模擬和計算模擬,描述方法是運用體現(xiàn)質(zhì)量、動量、能量以及化學反應基本規(guī)律的微分方程或其簡化形式;研究火災隨機性規(guī)律的手段是統(tǒng)計,描述方法是概率論�？茖W地認識火災系統(tǒng)的復雜行為,并發(fā)展相應的技術原理以對這種復雜性行為加以合理的控制與利用,就是火災安全科學的任務。

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8中國工程科學

火災安全科學作為一門交叉科學,它所具備的

第3卷

研究方法———場模擬(fieldmodeling)方法。然而,由于火災問題的復雜性,到目前為止,對場模擬理論的研究還基本上局限于學術界,而在實際應用中很少采用。而火災安全科學是一門應用背景很強的學科,人們希望它的理論成果能夠在較短時期內(nèi)發(fā)揮作用。如果要等到解決了湍流化學流體力學問題,再去解決實際火災問題,就如同先解決Navier2Stokes方程再去解決實際的水力學問題一

多學科交叉性是火災雙重復雜性在學科體系方面的具體體現(xiàn)。在基礎自然科學方面,火災安全科學直接與微分方程定性理論和數(shù)值方法,概率與統(tǒng)計,非線性動力學,流體力學,固體力學,及爆炸力學等數(shù)理學科,化學動力學和熱化學等化學學科,以及生物質(zhì)的熱解與燃燒和生物體受熱、煙、毒的損傷等生命科學的內(nèi)容緊密相關;在工程技術學科方

面,安全工程,工程熱物理(熱流體,單相和多相傳熱與燃燒),材料科學(熱過程對材料性能的影響,敏感材料與元件,阻燃劑/材料的設計,合成與評價),及信息科技(計算機視覺,模式識別,人工智能,可視化技術,網(wǎng)絡—遠距—資源的優(yōu)化配置與調(diào)度)等,;。,火、工程技術科學和管理科學的多學科大跨度的交叉領域。

樣,是沒有意義的。因此,火災安全科學必須開辟獨立的研究方法。

312　,其研究方法的發(fā)。這個階段的理論基礎是人們承認火災的隨機性規(guī)律。人們通過整理和分析大量的火災原始資料,歸納出火災發(fā)生的統(tǒng)計性規(guī)律,例如說明在什么季節(jié)、什么時間、哪些區(qū)域、哪些行業(yè)容易失火,并將研究結果用各種圖表或曲線的形式表示出來。

第二階段為火災的統(tǒng)計分析與模擬研究獨立發(fā)展階段�；馂难芯块_始與現(xiàn)代科學技術緊密結合,人們一方面繼續(xù)運用先進的概率與統(tǒng)計理論來分析火災數(shù)據(jù)的內(nèi)在隨機規(guī)律性,另一方面則通過火災的模擬,研究火災在一定條件下孕育、發(fā)生和發(fā)展的機理與規(guī)律。模擬研究的理論基礎是承認火災過程遵循確定性的規(guī)律,這種規(guī)律既可以在模擬實驗中再現(xiàn),也可以抽象成控制火災過程的數(shù)學表達式(微分方程或代數(shù)方程)。模擬研究的意義在于,可以通過簡化和近似,逐個研究影響火災的各個分過程和各主要因素的作用,逐步揭示火災的機理和規(guī)律。例如,用小型受限空間中的煙氣運動模擬室內(nèi)火災煙氣的運動,

用燃料床在熱風洞內(nèi)的燃燒模擬在一定環(huán)境下的林火行為,等等。模擬研究的成果有較大的普遍性,因為模擬研究常常是針對火災中的共性問題而開展的。但是,小尺寸模擬實驗研究畢竟是在某種近似的條件下進行的,由于火災過程的復雜性,嚴格的相似準則往往很難建立,實驗模擬方案所包含的近似必然導致研究結果與實際的偏離。這種近似會帶來多大的誤差?帶有誤差的研究結果有沒有實際意義?是否有更合理的近似?這些令人感興趣的問題都需要在實體實驗與模擬研究的對比中尋求答案。模擬研究與實體試驗對火災科學研究都是必不可少的研究手段。

3　火災安全科學的發(fā)展概況

311　燃燒學與火災安全科學的關系

在火災安全科學的發(fā)展進程中,現(xiàn)代燃燒理論理所當然是最重要的科學支撐之一,因為火災現(xiàn)象本身實際上就是失去控制并造成危害的燃燒。20世紀70年代以來,隨著燃燒基本理論,數(shù)學模型和激光診斷技術的發(fā)展,燃燒學由描述性的、半經(jīng)驗性的科學走向了嚴密科學。然而,基于化學流體力學的現(xiàn)代燃燒理論在成功地解決工程燃燒問題的同時,對于復雜的火災問題卻成效不大。工程燃燒學研究的課題主要致力于清潔、高效和經(jīng)濟地利用燃料,其研究對象的初始條件和邊界條件是人為設計和控制的,環(huán)境條件也是容易控制的;而火災安全科學則主要致力于環(huán)境條件不斷變動的失控燃燒現(xiàn)象,即火災現(xiàn)象。就火災體系的可燃物和幾何條件的復雜性與多變性、火災體系受環(huán)境和氣象因素影響的程度、火災體系與滅火手段的相互影響、以及火災體系與人的行為的相互影響等方面而言,火災過程要比一般動力裝置中的燃燒過程復雜得多,火災系統(tǒng)所包含的非線性因素比工程燃燒系統(tǒng)要多很多。使用燃燒學中的化學流體力學方法來考察火災問題一般要通過對火災系統(tǒng)建立完整的(但往往是簡化的)數(shù)學模型,然后通過數(shù)值計算等方法求解。這種方法在歷史上形成了火災現(xiàn)象的一種模擬

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