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9　

另一種模擬研究方法是計算機模擬[2～6]。在計算模擬理論方面,作為三種主要的火災煙氣流動

模擬方法,區(qū)域模擬(zonemodeling)、場模擬(fieldmodeling)和場區(qū)網(wǎng)模擬(field2zone2networkmodeling)的研究都已經獲得了很大的進步,其中

機性的一面。例如:給定環(huán)境和火源條件的室內火災煙氣的運動規(guī)律是確定的,這個規(guī)律可以通過模擬研究逐步認識,但是在實際的火災過程中,眾多因素(如風向與風速等環(huán)境因素)常常變化,而且這種變化往往帶有隨機性,從而導致了實際火災發(fā)展過程的隨機性。起火過程也是如此。人們不可能預測在一片森林的何處何時一定起火,因此起火研究的目標只能是給出起火的幾率(可能性)隨可燃物和氣象等條件的變化趨勢,而不是試圖預報在一。在火災系統(tǒng)這個時空范圍內,,這就決定了火災發(fā)火災具有確定性和隨機性,決定了火災安全科學在隨機性研究和確定性研究彼此分立很長時期以后,必定要走向統(tǒng)一。而今,火災安全科學的研究已經逐漸步入這個階段,在這方面研究的深度和廣度正不斷擴大。313　火災安全技術層面研究的發(fā)展概況

前兩項模擬理論已經相當完善。20世紀70年代初,美國哈佛大學的Emmons教授將質量守恒、動量守恒、能量守恒和化學反應原理巧妙地運用到建筑火災的研究上,發(fā)展了建筑火災煙氣區(qū)域模擬思想。這種模擬方法是將被研究的火災區(qū)域劃分為較少的幾個部分進行簡化模擬,目前基于這種方法的多個通用性程序已經發(fā)布,并已開始付諸應用。這種方法的缺點是無法得到流場的細節(jié),。這一點早已經為很多的研究實例所驗證。對于場模擬而言,模擬算法本身的復雜性和計算機能力的限制,使這種方法在理論上仍存在不少困難,難以在工程實際當中完全采用這種方法來模擬火災過程。在國家自然科學基金委八五重點項目“火災過程和防治中的熱物理問題研究”當中,我國火災科學家針對區(qū)域模擬和場模擬各自的不足,創(chuàng)造性地提出了分析建筑火災煙氣流動的場—區(qū)—網(wǎng)模擬思想[7],即對強火源或強通風的區(qū)域采用場模擬,對其鄰近的區(qū)域采用區(qū)域模擬,而對相隔較遠的區(qū)域采用網(wǎng)絡模擬。這種模擬思想相對于區(qū)域模擬來說提高了模擬的精確性,而相對于場模擬來說降低了算法復雜性,因而被國內外學者認為是適合于高層建筑火災煙氣運動模擬的一種很有前途的方法,并已被英國和日本等國的相關研究機構采用。

與煙氣運動直接相關的火蔓延過程,其計算模

擬理論已經走過了從統(tǒng)計模型(statisticalmodel)到經驗性模型(empiricalmodel),再到物理性模型(physicalmodel)的科學發(fā)展歷程[8]。統(tǒng)計模型只對火災實驗進行統(tǒng)計描述;經驗性模型則基于能量守恒原理建立火災系統(tǒng)的數(shù)學描述,但不考慮火災過程中動態(tài)的傳熱傳質過程;物理性模型則要詳細考慮控制火災過程的熱傳導、熱對流、熱輻射、可燃物熱解、質量輸運和著火過程。

第三階段為火災的統(tǒng)計研究與模擬研究有機結合的階段�；馂牡囊�(guī)律既有確定性的一面,又有隨

火災安全科學的任務不僅是為了科學地認識火災過程的規(guī)律,而且還要為火災的科學防治提供先進的技術原理。原理的提出一方面要基于對火災過程的科學認識,另一方面要合理地利用和發(fā)展現(xiàn)有的其它工程學科的技術研究成就。在第83次香山科學會議的主題評述報告“火災科學的新理論及潔凈、智能防滅火技術”中[9],我國學者根據(jù)當前火災防治技術的國際發(fā)展趨勢,明確提出“智能與潔凈”是火災防治技術在新的發(fā)展階段所應該追求的目標。所謂“智能化”,是從火災的防治特性的角度來提出的�；馂陌l(fā)生的隨機性與突發(fā)性,和火災發(fā)展的迅猛性與破壞性,決定了火災防治必須具備如下特性:①火災監(jiān)測的長期性和可靠性;②火災探測的及時性和準確性;③火災撲救的有效性和經濟性。由此,火災防治技術系統(tǒng)的特征應當是:①各種技術在火災系統(tǒng)中所體現(xiàn)的綜合性;②技術之間存在的相互關聯(lián)性;③各種技術依據(jù)火災規(guī)律而動作的有序性。研究能夠實現(xiàn)這些特征的火災防治技術系統(tǒng),其目標必定是具備智能化功能的系統(tǒng)。“潔凈化”是從火災的環(huán)境特性的角度提出的。火災是一個開放系統(tǒng),與周圍的環(huán)境存在著能量和質量的交換,

這種交換的必然結果是人類生存環(huán)境受到污染。直接由火災造成的污染稱為“一次性環(huán)境污染”,而對“一次性環(huán)境污染”進行控制的手段不當造成的新的污染稱為“二次性環(huán)境污染”。

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01中國工程科學第3卷

潔凈化火災防治技術致力于在有效地進行火災防治的過程中不產生或少產生這兩種污染。

已經發(fā)展和正在發(fā)展的火災安全技術原理貫穿火災發(fā)生和發(fā)展的全過程。例如,從防止火災發(fā)生和發(fā)展的角度進行潔凈的的阻燃和防火材料的研究,和從火災撲救過程的角度進行潔凈滅火劑的研究,等等。含鹵聚合物在阻燃技術發(fā)展中曾發(fā)揮過很大作用,但因燃燒時產生大量的有毒、有害氣體,并且其中的鹵化氫物質遇水后極易形成酸性物,造成酸雨,因此是容易造成“二次性環(huán)境污染”的一種阻燃技術。低鹵阻燃抑煙化技術就成為了目前潔凈火災防治技術的前沿性研究課題。再例如,在滅火劑中,因產生“到普遍關注的哈龍滅火劑,成的“,。目前認為,最理想的這類物質可能就是水。先進的水噴淋滅火技術和水霧滅火技術是當前的熱門研究課題。

除了火災防治技術原理的研究之外,火災安全工程設計方法學也是火災安全科學在技術層面上的重要研究課題。由于火災過程的復雜性,火災作為災害事件的偶發(fā)性,以及現(xiàn)有信息資料和理論知識的不完備性,使得火災風險評估體系不能期望建立在對災害自身確定性規(guī)律的完備認識的基礎上,風險評估本身既涉及確定性又涉及不確定性,而其不確定性既包含隨機不確定性又包含模糊不確定性。迄今,火災風險評估的方法學已成為火災科學基礎研究中的另一重要課題,其研究內容同時涉及到災害的自然屬性和社會屬性兩個方面。在火災機理和規(guī)律已有知識的基礎上,運用數(shù)值模擬技術,統(tǒng)計理論,隨機過程理論和模糊數(shù)學理論的火災風險評估方法已經開始受到學術界的廣泛重視,其基礎理論方面的研究方興未艾。314　小結

論方法,為技術原理的發(fā)展提供科學依據(jù);另一方面,實際的火災防治不斷通過技術層面的研究內容對基礎研究提出要求,從而刺激和推動火災安全基礎研究的發(fā)展�；�礎研究建立的理論和方法,也必須通過技術層面的研究,進而通過實際的技術應用,在實際的火災防治當中去得到檢驗與修正。

4　當前火災安全技術層面的發(fā)展重點

當前,全球對火災科學防治越來越高的要求促使火災安全工程在技術層面上必須發(fā)生以下三個轉變:

(“清潔阻

、;

(2)由傳統(tǒng)的“處方式”設計向科學的安全工程設計的轉變;

(3)由火災防治的傳統(tǒng)管理模式向科學管理和應急預案模式的轉變。

這三個革命性轉變的實現(xiàn)依賴于在火災安全工程關鍵技術環(huán)節(jié)上的創(chuàng)新�；馂陌踩�工程的關鍵環(huán)節(jié)主要包括以下六個方面:①火災危險源和隱患的辨識與評價;②阻燃;③早期、迅速、準確地探測;④滅火和救援;⑤火災安全工程性能設計;⑥火災防治的日常管理與應急預案。

411　以量化和動態(tài)為特征的火災危險性評估

火災的雙重性規(guī)律決定了科學的危險性評估方法應該既考慮確定性規(guī)律又涉及不確定性(包含隨機不確定性和模糊不確定性)規(guī)律,這就決定了火災危險性評估的發(fā)展趨勢為:①建立評價危險源的指標體系和量化方法,并利用模糊數(shù)學和信息擴散理論等建立基于不完備樣本的風險評估統(tǒng)計模型。②利用數(shù)據(jù)庫技術,綜合考慮所考察對象的環(huán)境因素,建立基于火災確定性規(guī)律的動態(tài)風險評估模型。

412　“清潔阻燃

、智能探測和清潔快速高效定位滅

作為火災安全科學的兩項主要內容,科學地認識火災過程,與科學地發(fā)展火災防治技術,這兩方面迄今都已經得到了很大的發(fā)展,在發(fā)展過程中它們始終保持相互依賴與促進的關系。一方面,對火災過程的科學認識是發(fā)展火災防治技術的基礎,同時也是發(fā)展火災安全工程設計方法和建立火災系統(tǒng)的科學管理與決策體系的前提�；�礎層面的理論成果能不斷提供新技術發(fā)展所必需的新思想和新的理

火”的新一代火災防治技術

清潔高效阻燃技術應保證在盡可能降低阻燃材料的可燃性、提高其耐火性的同時,在阻燃材料的生產、使用過程中無毒,不產生大量煙氣;性能穩(wěn)定、耐用。無鹵清潔復合阻燃劑和聚合物/層狀無機物納米復合材料是這方面發(fā)展的重點。

實踐中發(fā)現(xiàn),以單一物理參量閾值型的方式進行火災監(jiān)測,常常是傳統(tǒng)火災探測中誤報警的根

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源。解決誤報警問題已成為提高火災探測準確性的關鍵所在。重點需要發(fā)展基于神經網(wǎng)絡、模糊邏輯的多信號、多判據(jù)探測技術,其中,對氣體的探測技術,無線探測與預警技術,圖象模式識別型感火、煙和感過熱技術是發(fā)展的重點[10]。在監(jiān)控技術方面,應重點發(fā)展火災監(jiān)控與樓宇安全及管理的系統(tǒng)集成技術。

現(xiàn)代社會對抑制災害的方法提出更高的要求,即:快速響應,滅火高效,對環(huán)境和逃生人員安全,對撲救和防護對象無破壞作用,特別是能迅速應付特殊災害行為的挑戰(zhàn)。對于滅火劑來說,哈龍滅火劑的替代物是當前的發(fā)展重點,誘導疏散的聲光技術等也須得到重點發(fā)展。

413　工業(yè)過程可燃混合物動力學系統(tǒng)的突變機理。無焰氧化包含常溫氧化和陰燃。中國是以煤為主要能源的大國,而常溫氧化現(xiàn)象引起我國煤田自燃年損失優(yōu)質煤達1000萬噸;森林大火很多也都是由于林地可燃物發(fā)生常溫氧化引起的;常溫氧化現(xiàn)象還引起我國大型糧庫發(fā)生自燃和微爆現(xiàn)象,損失巨大。陰燃是另一種無焰氧化現(xiàn)象。相對于常溫氧化來說,陰燃的溫度一般很高。陰燃是造成火災的最常見原因之一。工業(yè)可燃混合物的火災與爆炸現(xiàn)象緊密相關,我國每年因瓦斯、煤塵、氣云和其它粉塵所有這些典型的成災,,因此需要重點研究,穩(wěn)定性變化和突變機理。

(2)大規(guī)模森林火災的預測

大規(guī)模森林火災臨界危險狀態(tài)及重災年、季的早期辨識和預測,對有效地預防和能動地控制森林火災具有極為重要的意義。迄今,基于元胞自動機和分形學的森林火災模型已經成為研究自然系統(tǒng)的一般相變現(xiàn)象和自組織臨界性的最佳模型[11～14]。當前這方面研究正試圖綜合運用非平衡態(tài)統(tǒng)計熱力學、耗散結構自組織理論、突變理論、相變理論、動力系統(tǒng)理論、分形學和元胞自動機理論等,探索大規(guī)模森林火災的自組織臨界性形成機理,及其作為非線性非平衡復雜系統(tǒng)所具有的的自組織臨界行為的規(guī)律,從而揭示大規(guī)模森林火災氣象環(huán)境模態(tài)、成因規(guī)律,林火重災年、季的成因機理,以及大規(guī)模森林火災與全球氣候變化的關系,最終建立森林火災的早期跟蹤、辨識和預測理論。