2001年1月第

3卷第1期

中國工程科學(xué)Jan12001Vol13No11

專題報(bào)告

火災(zāi)安全科學(xué)———

一個(gè)新興交叉的工程科學(xué)領(lǐng)域

范維澄,劉乃安

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥　230026[摘要]　,。20世紀(jì)后期以

來,,論述了這門學(xué)科的任務(wù),。;交叉科學(xué)[關(guān)鍵詞]1　引言

自人類有史以來,火災(zāi)就成為危害人類最持

久、最劇烈的災(zāi)害之一。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì),火災(zāi)的科學(xué)防治已經(jīng)成為社會(huì)安全保障的重要組成部分。然而,由于火災(zāi)現(xiàn)象自身的復(fù)雜性,以及科學(xué)理論和科技手段等方面的限制,人類對(duì)火災(zāi)的科學(xué)認(rèn)識(shí)在歷史上長期停留在表象觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)層次上,一直未能形成以揭示火災(zāi)復(fù)雜性本質(zhì)為目標(biāo)的相應(yīng)學(xué)科。20世紀(jì)70年代以來的二三十年間,迅速崛起的燃燒理論、科學(xué)計(jì)算技術(shù)、非線性動(dòng)力學(xué)理論、系統(tǒng)安全原理、宏觀與小尺度動(dòng)態(tài)測量技術(shù)、以及信息技術(shù)等,為系統(tǒng)地針對(duì)火災(zāi)復(fù)雜性問題進(jìn)行科學(xué)攻關(guān)提供了充分的理論支持和技術(shù)手段,從而為火災(zāi)安全科學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的契機(jī)。正因如此,世界主要發(fā)達(dá)國家在80年代后期以來都開始針對(duì)前沿性的火災(zāi)科學(xué)問題開展國家級(jí)研究和國際間合作,各國的火災(zāi)科學(xué)研究基地不斷擴(kuò)大,國際火災(zāi)安全科學(xué)學(xué)會(huì)(InternationalAsso2ciationofFireSafetyScience,IAFSS)以及各地區(qū)性的火災(zāi)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)也相繼成立,致力于團(tuán)結(jié)各國的研究人員協(xié)力開展前沿性火災(zāi)安全科學(xué)研究。

[收稿日期]　2000-09-18

[基金項(xiàng)目]　國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59336140,59936140

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作為一門以火這一古老現(xiàn)象為基本研究對(duì)象的新興

學(xué)科,火災(zāi)安全科學(xué)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(gè)特色鮮明、充滿生機(jī)和活力的工程科學(xué)領(lǐng)域。

2　火災(zāi)安全科學(xué)的任務(wù)

火災(zāi)安全科學(xué)的迅猛發(fā)展有其深刻的社會(huì)背景。20世紀(jì)中葉以來,戰(zhàn)后的全球在經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的同時(shí)也越來越感受到火災(zāi)的威脅,火災(zāi)的劇烈程度與經(jīng)濟(jì)的發(fā)達(dá)程度往往呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的火災(zāi)造成的損失一般遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)。以我國1999年的火災(zāi)數(shù)據(jù)為例[1],圖1是我國在該年的火災(zāi)直接損失(directpropertylosses,DPL)情況(不含森林、草原、軍隊(duì)火災(zāi)),其中陰影標(biāo)識(shí)的省份分別是我國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的江蘇,浙江,福建,山東與廣東�？梢钥闯�,在這些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)相應(yīng)的火災(zāi)損失比其它經(jīng)濟(jì)較不發(fā)達(dá)地區(qū)的火災(zāi)損失要大得多。以上5個(gè)省份在1999年全年共發(fā)生60549次火災(zāi),導(dǎo)致1017人死亡,受傷1582人,并造成5130×108元直接財(cái)產(chǎn)損失,這三項(xiàng)損失指標(biāo)分別占中國當(dāng)年總損失的3711%,3416%和3710%。3417%的特(重)大火災(zāi)發(fā)生

[作者簡介]　范維澄(1943-),湖北鄂州市人,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授

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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

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在這5個(gè)省份,造成的損失占全國特(重)大火災(zāi)

損失的3515%。大規(guī)模的森林和草原火災(zāi)在造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí),還往往對(duì)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(zāi)所產(chǎn)生的污染性煙塵波及一些東南亞國家,嚴(yán)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(zāi)和1996年的內(nèi)蒙古森林草原火災(zāi),都給我

國的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。無論是在當(dāng)今中國還是在其它國家,減少火災(zāi)對(duì)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(zāi)是必由之路�；馂�(zāi)科技防治的總體目標(biāo)是通過發(fā)展先進(jìn)的火災(zāi)防治技術(shù),并依賴科學(xué)的火災(zāi)安全工程設(shè)計(jì)體系和火災(zāi)的科學(xué)管理與應(yīng)急預(yù)案體系,來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防治有效性和經(jīng)濟(jì)性的科學(xué)統(tǒng)一

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

(fromthedataof1999Fig11　ComparisonofthefireinducedDPLforallprovincesinChina

　　火災(zāi)過程是一種具有復(fù)雜性本質(zhì)的科學(xué)研究對(duì)

象,其孕育、發(fā)生和發(fā)展包含著湍流流動(dòng)、相變、傳熱傳質(zhì)和復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)作用,是一種涉及物質(zhì)、動(dòng)量、能量和化學(xué)組份在復(fù)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(dòng)力學(xué)過程;該動(dòng)力學(xué)過程還與作為外部因素的人、材料、環(huán)境及其它干預(yù)因素等發(fā)生相互作用�；馂�(zāi)的復(fù)雜性包括兩方面的內(nèi)容:①火災(zāi)確定性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。這里所說的確定性,是指所考察的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)其環(huán)境條件和火源條件均已給定,從而對(duì)該系統(tǒng)火蔓延過程和煙氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)描述在數(shù)學(xué)上是確定的。這種確定性火災(zāi)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在物理和數(shù)學(xué)上表現(xiàn)出來的復(fù)雜性源于火災(zāi)系統(tǒng)自身各構(gòu)成要素之間的耦合性和時(shí)空的非均勻性等非線性作用,以及火災(zāi)系統(tǒng)與其外部因素的耦合構(gòu)成的非線性作用。②火災(zāi)的

)

隨機(jī)性。當(dāng)火災(zāi)被作為一種災(zāi)害事故來看待時(shí),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(zāi)發(fā)生和發(fā)展的隨機(jī)性。隨機(jī)性是構(gòu)成火災(zāi)復(fù)雜性的另一方面重要內(nèi)容,也是一般災(zāi)害現(xiàn)象共有的特征。

對(duì)火災(zāi)的科學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)際上就是對(duì)火災(zāi)的確定性和隨機(jī)性這兩種復(fù)雜性的深入認(rèn)識(shí)。認(rèn)識(shí)這兩種復(fù)雜性的科學(xué)手段截然不同。研究火災(zāi)確定性規(guī)律的手段是模擬,包括實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬和計(jì)算模擬,描述方法是運(yùn)用體現(xiàn)質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及化學(xué)反應(yīng)基本規(guī)律的微分方程或其簡化形式;研究火災(zāi)隨機(jī)性規(guī)律的手段是統(tǒng)計(jì),描述方法是概率論�？茖W(xué)地認(rèn)識(shí)火災(zāi)系統(tǒng)的復(fù)雜行為,并發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)原理以對(duì)這種復(fù)雜性行為加以合理的控制與利用,就是火災(zāi)安全科學(xué)的任務(wù)。

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8中國工程科學(xué)

火災(zāi)安全科學(xué)作為一門交叉科學(xué),它所具備的

第3卷

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

多學(xué)科交叉性是火災(zāi)雙重復(fù)雜性在學(xué)科體系方面的具體體現(xiàn)。在基礎(chǔ)自然科學(xué)方面,火災(zāi)安全科學(xué)直接與微分方程定性理論和數(shù)值方法,概率與統(tǒng)計(jì),非線性動(dòng)力學(xué),流體力學(xué),固體力學(xué),及爆炸力學(xué)等數(shù)理學(xué)科,化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱化學(xué)等化學(xué)學(xué)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(xué)的內(nèi)容緊密相關(guān);在工程技術(shù)學(xué)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(xué)(熱過程對(duì)材料性能的影響,敏感材料與元件,阻燃劑/材料的設(shè)計(jì),合成與評(píng)價(jià)),及信息科技(計(jì)算機(jī)視覺,模式識(shí)別,人工智能,可視化技術(shù),網(wǎng)絡(luò)—遠(yuǎn)距—資源的優(yōu)化配置與調(diào)度)等,;。,火、工程技術(shù)科學(xué)和管理科學(xué)的多學(xué)科大跨度的交叉領(lǐng)域。

樣,是沒有意義的。因此,火災(zāi)安全科學(xué)必須開辟獨(dú)立的研究方法。

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

第二階段為火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)分析與模擬研究獨(dú)立發(fā)展階段�；馂�(zāi)研究開始與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合,人們一方面繼續(xù)運(yùn)用先進(jìn)的概率與統(tǒng)計(jì)理論來分析火災(zāi)數(shù)據(jù)的內(nèi)在隨機(jī)規(guī)律性,另一方面則通過火災(zāi)的模擬,研究火災(zāi)在一定條件下孕育、發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理與規(guī)律。模擬研究的理論基礎(chǔ)是承認(rèn)火災(zāi)過程遵循確定性的規(guī)律,這種規(guī)律既可以在模擬實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn),也可以抽象成控制火災(zāi)過程的數(shù)學(xué)表達(dá)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(gè)研究影響火災(zāi)的各個(gè)分過程和各主要因素的作用,逐步揭示火災(zāi)的機(jī)理和規(guī)律。例如,用小型受限空間中的煙氣運(yùn)動(dòng)模擬室內(nèi)火災(zāi)煙氣的運(yùn)動(dòng),

用燃料床在熱風(fēng)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?yàn)槟�擬研究常常是針對(duì)火災(zāi)中的共性問題而開展的。但是,小尺寸模擬實(shí)驗(yàn)研究畢竟是在某種近似的條件下進(jìn)行的,由于火災(zāi)過程的復(fù)雜性,嚴(yán)格的相似準(zhǔn)則往往很難建立,實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬方案所包含的近似必然導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際的偏離。這種近似會(huì)帶來多大的誤差?帶有誤差的研究結(jié)果有沒有實(shí)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(shí)體實(shí)驗(yàn)與模擬研究的對(duì)比中尋求答案。模擬研究與實(shí)體試驗(yàn)對(duì)火災(zāi)科學(xué)研究都是必不可少的研究手段。

3　火災(zāi)安全科學(xué)的發(fā)展概況

311　燃燒學(xué)與火災(zāi)安全科學(xué)的關(guān)系

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

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