谈中国火灾科学研究的现状和发展趋势

摘要：对我国火灾科学研究的现状和发展趋势进行了综述，介绍了火灾科学的兴起、我国火灾科学的发展以及火灾科学国家重点实验室的建立，并对我国火灾科学的未来进行了展望。

关键词：火灾科学研究现状发展趋势中国

1引言

火灾是危害人类的重大灾害之一。随着我国国民经济的快速发展，重大恶性火灾及爆炸事故频繁发生，直接危及人民的生命、财产，造成环境污染，引发生态失衡［1］。火灾及其相关灾害问题，引起了党中央、国务院的高度重视和全社会的广泛关注。减少火灾及其相关灾害对人类生产、生活及资源环境的危害，已成为迫切需要解决的重大问题之一。江泽民主席就全国火灾形势曾指示：“责任重于泰山、隐患险于明火、防范胜于救灾”，李鹏委员长也曾为消防工作题词：“开展火灾科学研究，造福人类造福社会。”

火灾科学是一个科学问题集中、创新余地巨大的、与经济建设、社会发展、国家安全及科技进步密切相关的有长期生命力的研究领域。它的产生和发展使得人类从被动地着眼于如何扑救到主动地深入了解火灾的机理，从更高的层次上认识火灾的发生和危害，用先进的科学技术和手段去进一步减少火灾损失。当前，随着我国国民经济的发展，迫切要求减少火灾对生产、生活及资源环境的危害，这也是保障国家经济持续发展的重大需求，科技减灾、安全减灾最有效的手段，也是减灾的必由之路］。

2火灾科学的兴起

70年代初，美国哈佛大学的埃蒙斯（H.W.Emmons）教授将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理巧妙地运用到研究建筑火灾的领域上，开创了火灾过程机理研究的先河。1985年国际火灾安全科学学会的成立具有划时代的意义：标志着人类开始对火灾问题进行系统的科学攻关和研究；由于燃烧理论、系统安全原理、科学计算技术、非线性动力学理论以及宏观与小尺度动态测量和信息科学技术的迅猛发展，为火灾科学重大研究项目的实施奠定了坚实的基础。

火灾作为人类生存和发展历程中所面对的一种典型灾害，一方面是由人类的社会活动与经济活动产生的非自然界固有因素所引起的，另一方面其自身又具有复杂的自然属性。因此，要实现灾害防治经济性和有效性的统一，就必须对包括火灾科学的自然属性和社会属性的诸方面复杂性问题进行研究和探索。

火灾科学针对危害人类社会、自然资源和生态环境的灾害问题，集中并深入研究其共性基础，即火灾发生、发展的机理和规律以及防治工程技术基础。主要内容包括：火灾危险评价、起火、火灾蔓延和烟气传播；火灾和环境或系统的相互作用；建立和发展火灾过程的三维多相非定常、非线性、湍流、传热传质和燃烧相互耦合的数学物理模型、计算机模拟软件和实验装置。将火灾科学的理论与现代高新技术相结合，依据传感技术获得的火灾信息，运用体现火灾规律性的智能识别手段，判断火灾类型、规律和发展趋势，作出火灾防治技术实施的相应决策，实现无污染的智能灭火和救灾。

火灾科学的建立促进了火灾研究的发展、推动着火灾防治技术的进步，使得火灾损失下降，已经开始显示出其极大的社会效益、经济效益。我国火灾科学理论探索和重大防治技术的研究，得到了我国政府、社会各部门及广大科技工作者的理解、支持和参与。国家自然科学基金委员会从一开始就大力扶持这门新兴学科的起步，并一直给予重视；国家消防、劳动、建筑、森林、石油、煤炭、化工、交通等部门也给与了积极的支持并对火灾科研及技术攻关项目给与了资金投入。

3我国火灾科学的研究现状

3.1火灾动力学演化理论●基本火灾燃烧系统的不稳定性

要理解火灾过程中的复杂非线性现象的本质，就必须对基本火灾燃烧系统的不稳定性规律进行研究。通过理论分析和实验研究，建立上述诸规律形成的临界条件和数学物理模型，揭示系统燃烧温度和燃烧产物量的多重平衡态和稳定性变化过程，有利于对燃烧系统中不稳定性现象的控制研究。对基本燃烧反应系统的不稳定性控制的研究，在国际上还处于起步阶段。我国学者利用动力系统不稳定性和混沌的控制思想和方法，研究对基本燃烧反应系统当中的分叉和混沌现象进行控制的合适途径，为进一步深入研究复杂非线性火灾动力学现象的机理，为对这些非线性火灾现象进行合理的控制，打下坚实的理论基础［6］。

无焰氧化，包含常温氧化和阴燃。森林大火很多也是由于林地可燃物发生常温氧化引起的。阴燃是另一种无焰氧化现象。相对于常温氧化来说，阴燃的温度一般很高。阴燃是造成火灾的最常见原因之一。工业可燃混合物的火灾与爆炸现象紧密相关。所有这些典型的成灾过程，可以集中表现在它们的共性科学问题上：在于研究可燃物动力学系统由一般稳定态向灾害突变的机理。我国火灾科学工作者已开始研究典型可燃物的常温确定性动力学系统解的结构、稳定性变化和突变机理。●凝固相火蔓延和烟气运动的动力学演化

研究我国典型固液可燃物表面（油品、森林、草原）火蔓延过程的机理和规律，以及大坡度、峡谷地形和地理气象环境因素对火蔓延过程的影响，建立在这种影响下的火行为模型；研究火灾烟气在开放、受限和网络空间中的运动规律；发展描述烟气运动的理论和数值计算方法。●特殊火行为的非线性动力学

树冠火、飞火、火旋风、轰燃、回燃等特殊火行为的复杂性，源于它的非线性，控制其演化的微分方程组也是多维的和非线性的［7,20,22］。但目前的通用数值方法（离散化方法和离散化得到的代数方程组的求解方法）是线性化的，从而在求解过程中破坏、掩盖和抹杀了原控制方程组及火灾体系的非线性特征。随着非线性动力学的发展，国内学者就某些特定的简化了的体系探索建立其特有的控制方程和数值方法，得到能反映其非线性特征的数值解，但要获得具有一定通用性的非线性理论模型及能反映其非线性特征的数值方法还需进行大量工作。●大空间公用建筑火灾特性

研究大空间公用建筑典型材料的燃烧特性参数的模拟实验诊断；对大空间公用建筑火灾中的火蔓延特性及大空间公用建筑火灾中的烟气流动特性进行研究；研究大空间公用建筑火灾中火蔓延和烟气流动过程的计算机模拟。

3.2火灾危险评价技术研究

工业发达国家对火灾危险分析与评价非常重视，在火灾的监测、信息分析、火灾危险源的辨识原理和方法、危险评价技术、火灾的预防与控制等方面投入了大量的资金和人力，初步形成了一些实用的方法，对预防和控制火灾起了重要作用［24］。

在火灾危险评价的可操作性研究和信息管理方面，国外广泛采用系统仿真和数据库技术，已开发了一些可行的、实用的方法。目前，有数十种火灾危险评价软件包得到了成功的应用。随着信息处理技术和事故预防技术的进步，新的实用危险评价软件不断进入市场。“八五”和“九五”期间，我国开展了“重大危险源评价和宏观控制技术研究”、“重大工业事故和特殊建筑火灾预防与控制技术研究”等重大课题的研究工作，主要由公安部、劳动部、煤炭科学研究总院、东北大学、中国科学技术大学等单位［3,4］组合、协同完成。

对石油、化工等火灾重大危险场所，目前，国内主要采用DOW化学公司的火灾、爆炸指数评价法、ICI公司的MOND法、日本劳动省标准局的六阶段评价法等进行火灾危险性评价。东北大学、原劳动部劳动保护研究所、原冶金部武汉安全环保研究院、化工部劳动保护研究所等单位较早地系统地向国内介绍并引入DOW化学公司的火灾、爆炸指数评价法，并先后对我国的一些石油、化工企业的生产车间和油罐区的火灾、爆炸和毒性的危险性进行了危险评价，取得了较大的社会效益和经济效益。但是，这些工作的绩效与发达国家相比，我国对火灾危险评价的研究开展较晚，管理手段仍很落后，主要表现在：

1)在我国，重大恶性火灾及爆炸事故频繁发生，发生机理复杂，难于套用国外的现有方法。例如，美国的DOW化学公司火灾爆炸危险指数评价法中，有关参数的制定是对发达国家的火灾和爆炸事故进行统计而得出的，没有考虑到发展中国家的实际情况。

2)现有的火灾评价与管理方法过于简单、粗糙，难于有效地对我国各类重大火灾进行正确的分析、评价与控制，而这些方法大部分仅能适用于现有系统的危险评价，对设计阶段的系统危险评价考虑不够。

3)我国尚未建立自己的火灾事故数据库，沿用国外的数据来分析我国的火灾危险难于获得真实的结果，严重地影响了我国对火灾危险源的管理和决策的科学性。

随着我国石油、化工企业的大型化，森林火灾的频繁发生，建筑新材料、新技术和新工艺的大量使用和火灾监控装置的智能化，开发研究先进的火灾评价方法和软件已成为火险安全管理的当务之急。从国家和企业对火灾事故的预防与控制方面考虑，均需一套系统的、科学的、能反映火灾危险源危险状态的、能准确、有效的评价各种火灾危险性的方法。

3.3火灾防治技术基础●智能火灾探测原理与技术

研究早期火灾的特征(声、光、热)，建立基于光谱、声学和电磁辐射的火灾识别模型的方法；研究火灾安全监控系统新型拓扑结构，发展智能稳健早期火灾识别原理和技术

●细水雾清洁高效灭火原理与方法

研究细水雾产生的方法及细水雾的特性表征；研究细水雾与火焰相互作用的动力学过程及对烟气传输的影响；研究添加剂对水雾物理化学性能和灭火效能的影响。建立定量描述细水雾特性参数与火焰临界熄灭特性之间的关系，在实验基础上发展清洁高效水系灭火技术●阻燃机理及技术

研究聚烯烃新材料低烟、低毒、无卤阻燃机理；通过对固化的球形超支化高分子型无卤阻燃材料的形态结构、物理化学性能及影响因素等问题的研究，掌握新型无卤阻燃涂料体系辐射固化的规律及阻燃机理；研究纳米无机阻燃剂在聚合物复合材料中的阻燃机理与其结构的关系；研究新型纳米阻燃聚合物复合材料4火灾科学国家重点实验室的建立与发展

火灾科学国家重点实验室(下称实验室)是国内火灾科学领域的国家级研究机构，拥有科研楼、火灾特殊实验楼、实验二楼、大空间建筑火灾实验厅和室外实验场，共投资3000万人民币，近5000平方米的建筑面积。自行设计和研制了十几套火灾实验设备，并利用世行贷款和“211工程”项目经费购置了一批先进仪器、设备装备了实验室，计算机国际通讯网络业已开通。装备整体水平达到国际先进水平，部分设备属世界一流。实验室已成为在火灾科学基础领域的国内唯一、亚洲重要和国际知名的研究基地和学术交流中心。

实验室自1992年对外开放以来，“立足基础，注意应用，加强转化”，共承担科研项目119项，主要来自国家科技部、教育部、中科院、国家自然科学基金委员会和省、部委，以及石油天然气、石化、烟草、航天、船舶等部门和国际合作项目。实验室开展的研究工作的重点在于：着力研究火灾发生、发展的机理和规律；以高新技术为手段，使火灾机理研究与火灾危险评价及防治新技术的研究紧密衔接。

实验室已取得一批研究成果，其中有“火灾与燃烧的计算机模拟”、“林火行为规律的实验模拟和计算机模拟研究”、“利用彩色影像三基色差分进行火灾探测与定位的方法”、“‘火盗力克’计算机图像监控报警系统”、“大空间早期火灾智能监测与电气火灾隐患检测系统”、“光截面图象感烟火灾探测系统”、“水性膨胀型电缆防火涂料及其包带”、“电气线路火险隐患与运行设备故障隐患在线热诊断”、“微重力下热过程(燃烧及火灾过程)的理论模型与数值模拟”、“油罐扬沸火灾机理及预测的研究”等研究成果。

通过开展全方位、多层次的国际合作与交流，火灾实验室与美、英、日、俄、澳等国及香港地区在“火灾安全科学与防治工程”、“安全与环境工程”、“大空间建筑火灾”等方面进行卓有成效的合作与研究。

5我国火灾科学研究与展望

经过我国火灾科技工作者的共同努力，火灾科学的研究虽然发展迅速，但仍满足不了社会的要求，需要火灾科研工作者继续深入地开展研究、探索与交流。与此同时，作为多层次和综合性的火灾科研体系，它的研究成果的推广和应用，也需要各方的有效协调。

在火灾科学基础研究方面，火灾的分现象研究将继续充实和完善，不仅使人们获得对火灾现象的了解，而且也为火灾过程理论模型的进一步完善和发展提供实验依据；继续深入研究形成火灾系统中特殊火行为的非线性动力现象的机理；火灾关键现象的研究尚在起步阶段，今后将首先完成关键现象的整理与分类，其中困难的是对现象机理的认识，它们受到更为基础的学科发展的影响，尽管如此，某些关键现象实验规律的认识和应用，仍将会对火灾防治实践产生重大作用；火灾模拟实验方法，尤其是特殊现象的实验模拟将是富有挑战性和探索性的研究课题］。

火灾过程的计算机模拟研究，在以下两个方面的进展受到更加重视和普及。一是理论模型的发展和完善，使得计算模拟与实际情况更为逼近；二是计算机处理能力更为强大，而且出现了一些更为精确、使用更方便的商业软件。

火灾危险评价技术作为一门交叉学科，涉及社会、人文、管理、工程技术等多学科领域，包含深刻的科学问题和巨大的创新余地。在今后的几年内，火灾危险评价技术将继续充实和完善，研究的热点和趋势主要有：

1)研究系统寿命不同阶段的火灾危险源的辨识理论与方法，使得火灾危险源辨识的指标体系和量化方法更加合理；针对各相关行业建立并完善相应的火灾危险源数据库；探讨火灾致因中人的影响规律；火灾危险的可接受危险性；火灾危险评价中的随机性因素分析方法；火灾事故发生的可能性研究；火灾事故的后果严重度评价模型；火灾过程中火灾危险性的时变特性。

2)探索火灾危险性不仅是预防灾害，也是出现灾变时能有效地控制火灾，确保人员生命安全并使财产损失减少到最低程度。因此，近年来，火灾危险评价技术的研究领域已拓宽到火灾时人员疏散规律的研究；人在火灾中的避难行为规律的研究；火灾时影响群集疏散的因素及量化方法；火灾时人员疏散的仿真研究；火灾时灾变优化控制问题的研究；火灾救灾决策的GIS系统；火灾时救灾人员指挥调度的优化配置等。

3)随着非线性科学的发展，火灾危险评价已开始引入非线性科学的方法，如火灾危险评价的确定性混沌分析方法、井下火灾时期的分形特征，森林火灾的分形规律，煤炭自燃的突变分析，网络火灾的分叉现象研究等，这些探索在国内外尚处于起步阶段，仍有不完善之处，其中许多原理和方法还有待作进一步的探讨和发展。

火灾防治技术的基础研究将进一步加强，一方面为人们深刻理解火灾及其相关灾害现象的科学本质打下深厚的理论基础；同时可以直接指导和支持火灾防治的新一代关键应用技术的研究，并为火灾安全工程设计体系和火灾的科学管理与应急预案体系的建立提供科学依据。它在单项技术方面的研究成果，将会对高新技术进入火灾防治领域起到更积极的引导作用；它在技术系统方面的研究成果，有望指导全社会构成更及时、更有效、更合理、更经济的火灾防治反应系统的网络。火灾防治技术学有两个目标：其一是“火灾的智能探测与扑救”，主要针对火灾的突发性和危害性；另一是“洁净化灭火”，主要针对环境的保护。火灾防治技术的智能化将在21世纪初形成规模技术，并为社会广泛采用，虽然其中有些问题尚未解决，但并不影响智能防治技术的使用和发展。洁净化火灾防治技术的发展，可能会遇到相当困难，这主要来自于有关基础学科研究有待突破。

在未来几年内，需研制、开发出对相关行业和企业有实用价值的火灾系统科学管理与决策的方法和软件，并逐渐为全社会普遍使用。与此相关的火灾安全咨询将形成一定规模的产业。

我国有关部门和广大火灾科技工作者在重视火灾科学基础研究，协调社会各部门建立一个完善的火灾科学研究体系的同时，应继续广泛开展和加强国际合作，吸收和引进国外火灾科学研究的最新成果，使我国的火灾科学研究能位列世界前缘。加强国际间的学术和技术交流，目的在于汲取国外的先进成果和技术为我所用，并以国际标准为准绳，建立我国的火灾安全工程体系，同时输出我国的火灾研究成果和技术，进入国际大市场，造福于人类社会。