第1期范維澄等:火災(zāi)安全科學(xué)———一個(gè)新興交叉的工程科學(xué)領(lǐng)域9　

另一種模擬研究方法是計(jì)算機(jī)模擬[2～6]。在計(jì)算模擬理論方面,作為三種主要的火災(zāi)煙氣流動(dòng)

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(jīng)獲得了很大的進(jìn)步,其中

機(jī)性的一面。例如:給定環(huán)境和火源條件的室內(nèi)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是確定的,這個(gè)規(guī)律可以通過模擬研究逐步認(rèn)識,但是在實(shí)際的火災(zāi)過程中,眾多因素(如風(fēng)向與風(fēng)速等環(huán)境因素)常常變化,而且這種變化往往帶有隨機(jī)性,從而導(dǎo)致了實(shí)際火災(zāi)發(fā)展過程的隨機(jī)性。起火過程也是如此。人們不可能預(yù)測在一片森林的何處何時(shí)一定起火,因此起火研究的目標(biāo)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(yù)報(bào)在一。在火災(zāi)系統(tǒng)這個(gè)時(shí)空范圍內(nèi),,這就決定了火災(zāi)發(fā)火災(zāi)具有確定性和隨機(jī)性,決定了火災(zāi)安全科學(xué)在隨機(jī)性研究和確定性研究彼此分立很長時(shí)期以后,必定要走向統(tǒng)一。而今,火災(zāi)安全科學(xué)的研究已經(jīng)逐漸步入這個(gè)階段,在這方面研究的深度和廣度正不斷擴(kuò)大。313　火災(zāi)安全技術(shù)層面研究的發(fā)展概況

前兩項(xiàng)模擬理論已經(jīng)相當(dāng)完善。20世紀(jì)70年代初,美國哈佛大學(xué)的Emmons教授將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)原理巧妙地運(yùn)用到建筑火災(zāi)的研究上,發(fā)展了建筑火災(zāi)煙氣區(qū)域模擬思想。這種模擬方法是將被研究的火災(zāi)區(qū)域劃分為較少的幾個(gè)部分進(jìn)行簡化模擬,目前基于這種方法的多個(gè)通用性程序已經(jīng)發(fā)布,并已開始付諸應(yīng)用。這種方法的缺點(diǎn)是無法得到流場的細(xì)節(jié),。這一點(diǎn)早已經(jīng)為很多的研究實(shí)例所驗(yàn)證。對于場模擬而言,模擬算法本身的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)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(shí)際當(dāng)中完全采用這種方法來模擬火災(zāi)過程。在國家自然科學(xué)基金委八五重點(diǎn)項(xiàng)目“火災(zāi)過程和防治中的熱物理問題研究”當(dāng)中,我國火災(zāi)科學(xué)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(zāi)煙氣流動(dòng)的場—區(qū)—網(wǎng)模擬思想[7],即對強(qiáng)火源或強(qiáng)通風(fēng)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(yuǎn)的區(qū)域采用網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜性,因而被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是適合于高層建筑火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)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(guān)研究機(jī)構(gòu)采用。

與煙氣運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)的火蔓延過程,其計(jì)算模

擬理論已經(jīng)走過了從統(tǒng)計(jì)模型(statisticalmodel)到經(jīng)驗(yàn)性模型(empiricalmodel),再到物理性模型(physicalmodel)的科學(xué)發(fā)展歷程[8]。統(tǒng)計(jì)模型只對火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述;經(jīng)驗(yàn)性模型則基于能量守恒原理建立火災(zāi)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述,但不考慮火災(zāi)過程中動(dòng)態(tài)的傳熱傳質(zhì)過程;物理性模型則要詳細(xì)考慮控制火災(zāi)過程的熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射、可燃物熱解、質(zhì)量輸運(yùn)和著火過程。

第三階段為火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)研究與模擬研究有機(jī)結(jié)合的階段�；馂�(zāi)的規(guī)律既有確定性的一面,又有隨

火災(zāi)安全科學(xué)的任務(wù)不僅是為了科學(xué)地認(rèn)識火災(zāi)過程的規(guī)律,而且還要為火災(zāi)的科學(xué)防治提供先進(jìn)的技術(shù)原理。原理的提出一方面要基于對火災(zāi)過程的科學(xué)認(rèn)識,另一方面要合理地利用和發(fā)展現(xiàn)有的其它工程學(xué)科的技術(shù)研究成就。在第83次香山科學(xué)會(huì)議的主題評述報(bào)告“火災(zāi)科學(xué)的新理論及潔凈、智能防滅火技術(shù)”中[9],我國學(xué)者根據(jù)當(dāng)前火災(zāi)防治技術(shù)的國際發(fā)展趨勢,明確提出“智能與潔凈”是火災(zāi)防治技術(shù)在新的發(fā)展階段所應(yīng)該追求的目標(biāo)。所謂“智能化”,是從火災(zāi)的防治特性的角度來提出的。火災(zāi)發(fā)生的隨機(jī)性與突發(fā)性,和火災(zāi)發(fā)展的迅猛性與破壞性,決定了火災(zāi)防治必須具備如下特性:①火災(zāi)監(jiān)測的長期性和可靠性;②火災(zāi)探測的及時(shí)性和準(zhǔn)確性;③火災(zāi)撲救的有效性和經(jīng)濟(jì)性。由此,火災(zāi)防治技術(shù)系統(tǒng)的特征應(yīng)當(dāng)是:①各種技術(shù)在火災(zāi)系統(tǒng)中所體現(xiàn)的綜合性;②技術(shù)之間存在的相互關(guān)聯(lián)性;③各種技術(shù)依據(jù)火災(zāi)規(guī)律而動(dòng)作的有序性。研究能夠?qū)崿F(xiàn)這些特征的火災(zāi)防治技術(shù)系統(tǒng),其目標(biāo)必定是具備智能化功能的系統(tǒng)�！皾崈艋�”是從火災(zāi)的環(huán)境特性的角度提出的�；馂�(zāi)是一個(gè)開放系統(tǒng),與周圍的環(huán)境存在著能量和質(zhì)量的交換,

這種交換的必然結(jié)果是人類生存環(huán)境受到污染。直接由火災(zāi)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(jìn)行控制的手段不當(dāng)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(xué)第3卷

潔凈化火災(zāi)防治技術(shù)致力于在有效地進(jìn)行火災(zāi)防治的過程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生這兩種污染。

已經(jīng)發(fā)展和正在發(fā)展的火災(zāi)安全技術(shù)原理貫穿火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的全過程。例如,從防止火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的角度進(jìn)行潔凈的的阻燃和防火材料的研究,和從火災(zāi)撲救過程的角度進(jìn)行潔凈滅火劑的研究,等等。含鹵聚合物在阻燃技術(shù)發(fā)展中曾發(fā)揮過很大作用,但因燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的有毒、有害氣體,并且其中的鹵化氫物質(zhì)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(shù)。低鹵阻燃抑煙化技術(shù)就成為了目前潔凈火災(zāi)防治技術(shù)的前沿性研究課題。再例如,在滅火劑中,因產(chǎn)生“到普遍關(guān)注的哈龍滅火劑,成的“,。目前認(rèn)為,最理想的這類物質(zhì)可能就是水。先進(jìn)的水噴淋滅火技術(shù)和水霧滅火技術(shù)是當(dāng)前的熱門研究課題。

除了火災(zāi)防治技術(shù)原理的研究之外,火災(zāi)安全工程設(shè)計(jì)方法學(xué)也是火災(zāi)安全科學(xué)在技術(shù)層面上的重要研究課題。由于火災(zāi)過程的復(fù)雜性,火災(zāi)作為災(zāi)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估體系不能期望建立在對災(zāi)害自身確定性規(guī)律的完備認(rèn)識的基礎(chǔ)上,風(fēng)險(xiǎn)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(jī)不確定性又包含模糊不確定性。迄今,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估的方法學(xué)已成為火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)研究中的另一重要課題,其研究內(nèi)容同時(shí)涉及到災(zāi)害的自然屬性和社會(huì)屬性兩個(gè)方面。在火災(zāi)機(jī)理和規(guī)律已有知識的基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù),統(tǒng)計(jì)理論,隨機(jī)過程理論和模糊數(shù)學(xué)理論的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法已經(jīng)開始受到學(xué)術(shù)界的廣泛重視,其基礎(chǔ)理論方面的研究方興未艾。314　小結(jié)

論方法,為技術(shù)原理的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù);另一方面,實(shí)際的火災(zāi)防治不斷通過技術(shù)層面的研究內(nèi)容對基礎(chǔ)研究提出要求,從而刺激和推動(dòng)火災(zāi)安全基礎(chǔ)研究的發(fā)展�；�礎(chǔ)研究建立的理論和方法,也必須通過技術(shù)層面的研究,進(jìn)而通過實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用,在實(shí)際的火災(zāi)防治當(dāng)中去得到檢驗(yàn)與修正。

4　當(dāng)前火災(zāi)安全技術(shù)層面的發(fā)展重點(diǎn)

當(dāng)前,全球?qū)�火�?zāi)科學(xué)防治越來越高的要求促使火災(zāi)安全工程在技術(shù)層面上必須發(fā)生以下三個(gè)轉(zhuǎn)變:

(“清潔阻

、;

(2)由傳統(tǒng)的“處方式”設(shè)計(jì)向科學(xué)的安全工程設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變;

(3)由火災(zāi)防治的傳統(tǒng)管理模式向科學(xué)管理和應(yīng)急預(yù)案模式的轉(zhuǎn)變。

這三個(gè)革命性轉(zhuǎn)變的實(shí)現(xiàn)依賴于在火災(zāi)安全工程關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)上的創(chuàng)新。火災(zāi)安全工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括以下六個(gè)方面:①火災(zāi)危險(xiǎn)源和隱患的辨識與評價(jià);②阻燃;③早期、迅速、準(zhǔn)確地探測;④滅火和救援;⑤火災(zāi)安全工程性能設(shè)計(jì);⑥火災(zāi)防治的日常管理與應(yīng)急預(yù)案。

411　以量化和動(dòng)態(tài)為特征的火災(zāi)危險(xiǎn)性評估

火災(zāi)的雙重性規(guī)律決定了科學(xué)的危險(xiǎn)性評估方法應(yīng)該既考慮確定性規(guī)律又涉及不確定性(包含隨機(jī)不確定性和模糊不確定性)規(guī)律,這就決定了火災(zāi)危險(xiǎn)性評估的發(fā)展趨勢為:①建立評價(jià)危險(xiǎn)源的指標(biāo)體系和量化方法,并利用模糊數(shù)學(xué)和信息擴(kuò)散理論等建立基于不完備樣本的風(fēng)險(xiǎn)評估統(tǒng)計(jì)模型。②利用數(shù)據(jù)庫技術(shù),綜合考慮所考察對象的環(huán)境因素,建立基于火災(zāi)確定性規(guī)律的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(zāi)安全科學(xué)的兩項(xiàng)主要內(nèi)容,科學(xué)地認(rèn)識火災(zāi)過程,與科學(xué)地發(fā)展火災(zāi)防治技術(shù),這兩方面迄今都已經(jīng)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(jìn)的關(guān)系。一方面,對火災(zāi)過程的科學(xué)認(rèn)識是發(fā)展火災(zāi)防治技術(shù)的基礎(chǔ),同時(shí)也是發(fā)展火災(zāi)安全工程設(shè)計(jì)方法和建立火災(zāi)系統(tǒng)的科學(xué)管理與決策體系的前提�；�礎(chǔ)層面的理論成果能不斷提供新技術(shù)發(fā)展所必需的新思想和新的理

火”的新一代火災(zāi)防治技術(shù)

清潔高效阻燃技術(shù)應(yīng)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(shí),在阻燃材料的生產(chǎn)、使用過程中無毒,不產(chǎn)生大量煙氣;性能穩(wěn)定、耐用。無鹵清潔復(fù)合阻燃劑和聚合物/層狀無機(jī)物納米復(fù)合材料是這方面發(fā)展的重點(diǎn)。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),以單一物理參量閾值型的方式進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測,常常是傳統(tǒng)火災(zāi)探測中誤報(bào)警的根

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源。解決誤報(bào)警問題已成為提高火災(zāi)探測準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。重點(diǎn)需要發(fā)展基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯的多信號、多判據(jù)探測技術(shù),其中,對氣體的探測技術(shù),無線探測與預(yù)警技術(shù),圖象模式識別型感火、煙和感過熱技術(shù)是發(fā)展的重點(diǎn)[10]。在監(jiān)控技術(shù)方面,應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展火災(zāi)監(jiān)控與樓宇安全及管理的系統(tǒng)集成技術(shù)。

現(xiàn)代社會(huì)對抑制災(zāi)害的方法提出更高的要求,即:快速響應(yīng),滅火高效,對環(huán)境和逃生人員安全,對撲救和防護(hù)對象無破壞作用,特別是能迅速應(yīng)付特殊災(zāi)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(dāng)前的發(fā)展重點(diǎn),誘導(dǎo)疏散的聲光技術(shù)等也須得到重點(diǎn)發(fā)展。

413　工業(yè)過程可燃混合物動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的突變機(jī)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(zhì)煤達(dá)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(zāi)的最常見原因之一。工業(yè)可燃混合物的火災(zāi)與爆炸現(xiàn)象緊密相關(guān),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(zāi),,因此需要重點(diǎn)研究,穩(wěn)定性變化和突變機(jī)理。

(2)大規(guī)模森林火災(zāi)的預(yù)測

大規(guī)模森林火災(zāi)臨界危險(xiǎn)狀態(tài)及重災(zāi)年、季的早期辨識和預(yù)測,對有效地預(yù)防和能動(dòng)地控制森林火災(zāi)具有極為重要的意義。迄今,基于元胞自動(dòng)機(jī)和分形學(xué)的森林火災(zāi)模型已經(jīng)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(dāng)前這方面研究正試圖綜合運(yùn)用非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)自組織理論、突變理論、相變理論、動(dòng)力系統(tǒng)理論、分形學(xué)和元胞自動(dòng)機(jī)理論等,探索大規(guī)模森林火災(zāi)的自組織臨界性形成機(jī)理,及其作為非線性非平衡復(fù)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(zāi)氣象環(huán)境模態(tài)、成因規(guī)律,林火重災(zāi)年、季的成因機(jī)理,以及大規(guī)模森林火災(zāi)與全球氣候變化的關(guān)系,最終建立森林火災(zāi)的早期跟蹤、辨識和預(yù)測理論。