《中国火灾科学基础研究概况》

2003-10-15

　　主讲人：中国消防协会副理事长、中国工程院院士、国际火灾学会常务理事范维澄先生

　　摘要：近几年，中国火灾科学基础研究取得了长足的进步。本文综述了中国火灾科学基础研究方面，特别是火灾科学国家重点实验室所取得的进展，同时本文还提出了今后几年火灾科学基础研究方面的建议。
关键词：中国、火灾科学基础研究

　　1 引言

　　中国，人口众多，幅员辽阔，正经历着巨大的变化并朝着更加光明的未来前进。自从改革开放以来，中国经济以每年8%的增长率增长。然而，与别的发展中国家一样，中国也存在着一些问题，如火灾问题等等。近几年，中国火灾急剧增加，引起了全国甚至全世界的注意。2002年，中国共发生258315起火灾（未包括香港、澳门特别行政区和台湾地区的火灾，也不包括森林火灾、草原火灾、军事和地下煤矿火灾），造成直接财产损失15.4亿元，死亡2393人，受伤3414人。比2001年火灾起数增加了19.2%，直接财产损失增加了9.7%。

　　为了减少火灾损失，加强火灾科学基础研究刻不容缓。自从新中国成立以来，政府非常重视火灾科学基础研究，特别是1989年中国科学技术大学的火灾科学国家重点实验室成立以来，火灾科学基础研究方面取得了巨大的进展。火灾科学国家重点实验室是中国国家级别的火灾基础和应用研究的代表性机构，这个实验室在过去的几年里面向火灾科学与技术的国家需求和国际前沿，通过实验和理论研究方法取得了丰硕的成果。

　　本文第二部分综述了中国火灾科学基础研究方面的进展，第三部分提出今后几年火灾研究方面的建议，最后是结束语。

　　2 火灾科学基础研究进展

　　1989年中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的成立标志着中国的火灾基础研究迈出了新的一步。在这方面除了过去的分散的研究力量，开始有了国家级的重点研究机构。在过去的几年中，火灾科学国家重点实验室的研究者取得了可喜的进展，下面分为9个典型的部分作扼要介绍。

　　(1) 可燃物热解动力学与着火特性

　　这一部分主要研究了（1）不同热流条件下可燃物的热解动力学模型；（2）综合物理输运过程和化学动力学过程的着火模型；（3）阴燃及其向明火转化的机理。

　　众所周知可燃物的热解对于理解火灾动力学是非常重要的，这方面的典型工作是由刘乃安等人完成的[1-4]。他们利用非等温方法研究了八种木材及其树叶以确定空气气氛下的可燃物热解动力学，他们基于实验结果和积分分析提出了一种“双组分分阶段一阶反应模型”，图1就是杉木叶的实验结果和理论计算结果的比较，从图中我们可以看到实验结果和理论计算结果相当的吻合，所以某些木材及其树叶的热解动力学可以利用“双组分分阶段一阶反应模型”进行模拟。基于此，精确揭示生物质的动力学特征是进一步的工作。他们还从理论上发现了Freeman-Carroll方法在确定反应级数方面不稳定性的根源，并发展了一种可靠的改进型动力学分析方法[5]。
杨立中等人也提出了一种火灾中含炭固体燃料的发展模型[6-7]。在他们的模型中，考虑了由表面温度升高引起对流和辐射的热损失以及炭表面的收缩，同时设计了一套实验设备进行实验以验证模型的准确性。

　　(2) 森林草原火灾的辨识、预测与火行为

　　对于森林草原火灾，火灾科学国家重点实验室在下面的几个方面取得了进展：（1）森林草原火灾卫星遥感辨识理论；（2）森林草原火灾的自组织临界性；（3）全球变化背景下的森林草原火灾重灾年早期诊断及预测；（4）森林草原火行为的数学物理模型和数值预报方法；（5）森林火灾中特殊火流现象的非线性动力学机理。
实际的森林火灾具有自组织临界性这个特征，森林火灾模型也可描述实际的森林火灾，自然灾害的“频率-面积”分布可以为计算火灾风险提供重要的信息，同时可用于缓解火灾的危害程度。宋卫国等人利用了中国1950-1989年的森林火灾统计数据，研究了中国森林火灾的自组织临界性[8]。图2说明了实际森林火灾的“频率-面积”分布，很显然这是幂律关系，图2表明经过长时间的演化后中国森林火灾达到临界状态，同时自组织临界性特征达到稳定且不随时间变化。他们还提出了一种考虑了有限尺度、树种、气象条件和人类干预等参数的发展模型[9-10]。进一步的工作包括发展一种考虑对森林火灾有实际影响的参数的改进模型，以及利用足够多的数据和自组织临界性特征预测未来的森林火灾。

　　(3) 建筑物内火蔓延规律

　　这部分包括（1）我国典型建筑材料火蔓延的机理和规律；（2）轰燃、回燃等特殊火行为的非线性动力学机理；（3）特殊火行为的非线性数值方法；（4）热解、相变、流动、传热传质与化学反应相互耦合的火蔓延理论模型。

　　回燃能导致现场的人员伤亡和建筑物的倒塌，它被认为是建筑火灾中的一种特殊火行为，然而目前对回燃的研究还很不够。为了改变这一状况，翁文国等人建立了一套小尺寸的回燃实验装置，得到了一系列的实验结果[11]，研究结果表明回燃的确定性参数是燃料质量百分比，同时讨论了不同开口形式对回燃的影响[12]，他们还利用细水雾抑制回燃[13]，确定其抑制机理是稀释腔体内的燃料质量百分比。在理论研究方面，建立了回燃模型并分析回燃的非线性动力学机理[14]。图3是不同燃料质量百分比的无量纲温度与无量纲时间对应图，图中表明燃料质量百分比是回燃的确定性参数，同时回燃也是一种突变行为。为了揭示回燃前重力流规律，进行了一系列利用流场显示和数字图象测速技术的小尺寸盐水模拟实验[15]，实验结果表明盐水实验能模拟回燃前的重力流，预测回燃时刻。在前面的研究中，燃料局限于气体，所以研究建筑火灾中的实际燃料如木材和塑料等的回燃现象是进一步的工作，建立数值程序以预测复杂结构的建筑物中的回燃也是进一步的工作。

　　(4) 火灾烟气运动及有害组分迁移规律

　　这部分的工作包括（1）开放和受限空间中火灾烟气运动的规律；（2）场-区-网复合模拟；（3）烟气运动与火蔓延相互作用；（4）火灾烟气中有害组分迁移与扩散规律。

　　由于烟气会蔓延整个建筑，对人类造成危害。为了研究烟气运动规律，必须建立有效的计算机模型，用以模拟建筑火灾中烟气的运动，火灾科学国家重点实验室的研究人员提出了场-区-网复合模型[16]，该研究成果已被日本和英国等国的火灾研究者采用。场-区-网复合模型是基于场、区、网模型的结合，同时利用体积守恒方法进行改进。图4(a)是研究的对象：一个实际的全尺寸多层建筑，图4(b)是起火房间两个不同截面的温度分布，图4清楚的表明在起火房间没有分层现象但离起火房间远的地方却有一些明显的多层烟气层存在，这说明区域模型不适合于起火房间的计算。这项研究中如果考虑了热辐射和实际的燃烧过程将会更加准确的预测高层建筑的烟气运动。

　　(5) 火灾中毒害物质的释放机理和对人体的影响

　　这部分的工作主要包括（1）火灾各阶段毒害物质形成的化学动力学机理；（2）火灾毒害物质的组成与分布规律；（3）毒害物质对人行为能力的影响。

　　蛋白质是构成生物体活性的高分子物质，研究火灾对蛋白质的影响对于理解火灾对人体的损害是非常重要的。邱蓉等人应用分子力学原理进行了温度对蛋白质肽链构造影响的计算机模拟的研究工作[17]。他们也研究了一些有毒物质如一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳和氢氰酸对人体的影响[18-19]。然而怎样定量的研究单一和复合火灾产物对人体的影响是困难的进一步工作。

　　(6) 火灾风险评估方法学

　　在中国火灾研究中，火灾风险评估方法学在虽是一个新的研究内容，但火灾实验室在这方面已取得了一定进展，包括（1）我国典型场所火灾环境下人群疏散规律；（2）疏导技术和疏导方式对疏散速率的影响；（3）小样本火灾事件的统计理论；（4）基于火灾动力学和小样本统计理论耦合的风险评估方法。
每年由于被堵塞在密集人群的公共场所而未能及时逃出而造成死亡的人数很多，这些公共场所包括运动场、体育馆、剧院和办公楼等。针对这种情况，火灾科学国家重点实验室致力于人群疏散动力学方面的研究[20-21]。这些研究成果曾应用于中国济南姚墙国际机场的火灾风险评估，评估结果建议登机口是安全疏散口。

　　(7) 清洁高效阻燃新技术原理

　　这部分的工作主要包括（1）阻燃聚合物/无机物纳米复合材料的分子设计、结构控制、阻燃原理与综合性能；（2）无卤阻燃材料的膨胀阻燃机理；（3）定形相变材料和高效吸湿材料的阻燃机理。

　　塑料、橡皮、合成纤维等这些高聚物及其产品广泛应用于工业、农业、军事和人们的日常生活中，然而这些易燃的高聚物容易发生火灾，威胁人们的生命和财产安全。所以阻燃材料应具有低烟、不产生有毒气，无污染低成本的特征，同时具有优良的物理性能。阻燃钠米复合材料能够满足这种需要，这方面的工作主要由胡源等人完成[22-31]。进一步的工作主要致力于阻燃材料应用于实际的物件如家具和装饰物等。

　　(8) 火灾早期的多信号感知与智能识别

　　这部分包括（1）火灾早期的光、烟气（热、气体、固体颗粒）和声的强（浓）度、形与谱特性；（2）火灾产物中标识性气体的光声识别；（3）非接触式火灾光信号的模式识别；（4）多参数和多判据火灾探测理论与方法。

　　正如前面所提的，随着中国越来越多的高层建筑的出现，它的火灾预防和抗灾减灾工作也日益突出，特别是高层建筑的烟气运动不同于其他的建筑物。鉴于此，火灾科学国家重点实验室与香港理工大学在1997年合作建造了22.4m长、11.9m宽、27m高的大空间火灾实验厅。利用这个实验厅，李元洲[32-34]等人研究了高层建筑的烟气控制。

　　针对目前普遍存在的大空间火灾预测的误报、漏报和迟报问题，袁宏永[35-36]等人基于火灾早期影像特征的火灾图像多重识别模式，实现了火场起火区的三维定位；针对火焰遮挡问题，建立了光截面感烟技术。基于以上这些技术原理发展了大空间火灾探测、报警及空间定位技术，已经成功地应用于一些国家重要工程(如人民大会堂、中央电视台、和首都体育馆)中。同时，《大空间早期火灾智能监测与电气火灾隐患检测系统》也获得国家科技进步二等奖。

　　(9) 多组分细水雾与混合气体灭火原理

　　这部分的研究工作包括（1）多组分细水雾产生方法、特性表征与诊断；（2）灭火添加剂优化配比、细水雾特性与临界灭火条件之间的定量关系；（3）细水雾对烟气特性和输运过程的影响；（4）多组分气体介质快速淬熄燃烧链反应的原理。

　　1987年蒙特卡罗公约的提出使火灾研究者致力于寻找哈龙替代物的灭火技术，细水雾由于对大气层和现场的人员不造成损害，并且它不仅是一个适用和有效的技术，而且还是非常经济的，因此利用细水雾作为哈龙1301的替代物越来越引起人们的注意。廖光煊等人在这方面也取得了很大的进展[37-40]。

　　除以上火灾安全进展外，中国政府的不同部门还建立了一些火灾研究机构，致力于火灾应用研究和新技术的开发。公安部消防局不仅有专业的消防队员，还有四个分别设立在天津、上海、沈阳和四川的消防研究所。这四个研究所主要负责火灾科学技术的应用研究，同时针对不同燃料、材料和功能研究开发各类灭火剂、防火材料和消防设备。四川消防所主要负责建筑火灾理论、建筑防火技术、材料阻燃研究等；天津消防所主要负责火灾基础理论、消防工程技术、消防规范、消防信息、耐火构件、灭火剂研究等；上海消防所上海所主要负责灭火理论、灭火技术与装备、火场防护研究技术等；沈阳消防所主要负责火灾探测理论、自动报警技术、消防通讯等方面的研究。在建设部中国建筑科学研究院的领导下，建筑防火研究所也致力于火灾研究，主要涉及的是建筑构、配件的耐火性能；建筑材料对火反应的综合性能；高层及公共建筑防烟、排烟等。国家经贸委的劳动安全科学技术研究中心也进行了一系列的火灾安全课题的研究。林业部的研究所进行着森林火灾方面的研究工作。此外，中国还有一些大学，如上海同济大学、天津大学、北京理工大学、中国人民武装警察学院等与上述消防研究所等都开展过一些火灾科学基础研究。

　　3 关于火灾科学未来研究的几点思考

　　在某种程度上说，由于致力于更好的理解火灾现象的火灾基础研究成果是火灾预防和消防新技术的基础，所以它对我们促进人们日常生活和工业火灾安全是极其重要的。针对中国火灾的特征，除了继续更加深入的研究前面第2部分的研究内容之外，下面也列出了将来几年中国火灾基础研究的某些重点，事实上这些重点也是国际火灾安全科学家和技术人员感兴趣的研究内容。

　　(1) 热-力耦合大型建筑的火灾基础研究

　　2001年9月11日美国世界贸易中心的倒塌是唯一以火灾为主要诱因导致大型建筑倒塌的事件案例。从那时起，火灾科学国家重点实验室与美国建筑与火灾研究实验室合作共同开展建筑防火设计规范、消防设备的技术与指导、建筑火灾模拟、结构的火反应以及建筑物内人员疏散模拟等专题研究。

　　(2) 奥运会场馆的火灾预防技术研究

　　2008年中国将举办28届奥运会，为此需建立一个主体育馆。目前火灾科学国家重点实验室负责这个主体育馆的火灾预防技术的研究。这项研究将利用前面的建筑物内火蔓延规律、火灾烟气运动及有害组分迁移规律、火灾中毒害物质的释放机理和对人体的影响、火灾风险评估方法学、清洁高效阻燃新技术原理、火灾早期的多信号感知与智能识别、多组分细水雾与混合气体灭火原理等的基础研究成果。

　　(3) 固体可燃物的火灾灾害形成理论

　　这方面主要研究固体可燃物从无焰氧化到火灾的转化机制。一般来说，无焰氧化分为两类：常温下的氧化和高温环境条件下的闷烧。中国是一个以煤为主要燃料的国家，在常温下由于氧化造成每年1000万吨优质煤的损失，同时这种氧化有时还会引起自燃和存储仓的爆炸。然而这种氧化的机理还未被发现，所以需要进一步研究这种氧化的机理以减少由于常温下的氧化而造成煤资源的损失。相对常温下的氧化，闷烧一般出现在高温度的情况下，闷烧是中国森林火灾最为经常报道的起因，所以在这一方面研究的重点是找到影响和控制闷烧起因和发展的因素，特别是弄清可能向火灾转化的机制。

　　(4) 气云和固气混合物的火灾形成机理

　　这项研究的背景是每年中国的煤气云、面粉厂和气体爆炸的案例很多，所以我们应致力于研究这种爆炸的产生条件。

　　(5) 森林特大火灾的预测

　　森林特大火灾不仅造成大量的人员伤亡和财产损失，而且还会破坏森林资源和生态平衡。1987年中国大兴安岭森林大火造成133万公顷的森林过火面积，89万公顷的森林受害面积，同时大约2.3万公顷的土地毫无树木。这次森林大火不仅破坏了大量的森林资源，同时也破坏了大量的房屋、电子通信设备、桥梁、隧道、铁路和各种机器设备，造成6.5万人无家可归，总的财产损失达到5亿元。虽然人为因素如吸烟会引发森林火灾，但是总体上讲，森林大火的发生与气候和森林区的植被有关，森林大火的临界条件的预测将是非常重要的，这方面的研究可从利用现代非线性动力学原理和数值方法的基础研究开始。

　　4 结束语

　　毫无疑问，自从新中国成立以来，特别是1989年火灾科学国家重点实验室成立以后，中国的火灾基础研究工作取得了重大的进展。然而随着中国的经济快速发展，火灾发展趋势还很严峻，其主要原因在于火灾科学基础研究工作跟不上社会的发展步伐，表现在对快速经济发展带来的火灾新问题估计不足，在采取针对性强的科技措施方面束手无策。因此中国要大力开展火灾科学基础研究以迎接将来的火灾挑战，同时研究经费和研究人员应该加强。

　　火灾科学基础研究是一个世界性的问题，所以为了有效应对火灾问题，国家间的合作，特别是发展中国家和发达国家之间的合作应该加强。同时中国作为一个大国，理应大力发展火灾科学基础研究，为人类创造一个更良好的安全环境作出应有的贡献。

　　致谢　本文由国家重点基础研究专项经费（项目编号2001CB409600）和国家自然科学基金重点项目（项目编号59936140）资助。

新闻来源：中国消防网


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