火灾科学及其发展趋势(学术报告)

,火灾科学及其发展趋势,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室杨立中,前言,从“火”谈起,钻木取火，照明取暖，用火烧烤食物。制造陶器，冶炼金属，改进生产工具。火药火炮，用于军事及采矿、开凿隧道。,对火的利用是人类文明的开端,应用领域不断扩展,燃气动力机械燃气轮机柴油机现代交通工具火车轮船汽车飞机国防航空航天舰船,对火的认识燃烧学,燃素说：可燃物含有燃素，燃烧时消耗燃素：燃烧物燃素灰烬现代燃烧理论：燃烧是燃料与氧化剂的强烈化学反应，并伴有发光发热现象。与湍流理论、化学动力学、多相流体力学、传热学等学科相互渗透，相互促进。,？,火三角,失去控制的燃烧：火灾,“火，善用之则为福，不善用之则为祸。”吕氏春秋荡兵火灾：在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害,火,灾,火灾科学的兴起,70年代初，H.W.Emmons教授（Harvard），将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理巧妙运用到建筑火灾的研究上，开创了火灾科学研究的先河，并因此被公认为“火灾科学之父”。,火灾科学的兴起,国际火灾安全科学学会InternationalAssociationforFireSafetyScienceFoundedin1985,6thINTERNATIONALSYMPOSIUMONFIRESAFETYSCIENCEENSMA-UNIVERSITYOFPOITIERS,FRANCE,July5th-9th,1999,亿元,火灾安全：国家的重大需求,我国1990-2004年火灾直接损失情况,2003年火灾15.9万起死2497人，伤3098人2004年火灾25.3万起死2558人，伤2969人克拉玛依特大火灾1994年死亡323人河南洛阳东都商厦火灾2000年死亡309人,图2.火灾的科技减灾总体目标示意图,火灾代价,防治费用,火灾损失,火灾的科技减灾总体目标：灾害防治有效性和综合效益的科学统一,火灾安全科研的总体构思,火灾安全的基础研究战略的总体设想,火灾孕育、发生机理,火灾发展规律,火灾对人、结构与材料的危害,火灾动力学演化理论,火灾风险评估理论,火灾防治高新技术原理,清洁高效阻燃技术,智能火灾探测技术,高效清洁灭火原理,火灾扑救与调度的优化控制理论,火灾防治理论,体现火灾复杂性和双重性规律的火灾科学理论新体系,研究方法学术思路和技术途径,火灾的复杂性和双重性规律,火灾随机性规律,数据分析与统计模型的建立,模拟、实体与野外实验系统,火灾过程数值模拟,火灾确定性规律,多维、多相、非定常和非线性理论模型,火灾防治技术原理,火灾早期特性和信号识别实验系统清洁阻燃实验系统高效灭火实验系统,新一代火灾防治关键技术的科学基础,与火灾科学密切相关的学科,基础科学:数理(微分方程,数值方法,概率与统计,非线性,流体力学,固体力学,爆炸力学)化学(化学动力学,热化学)生命科学(生物质的热解与燃烧,生物体被热-烟-毒的损伤),与火灾科学密切相关的学科续,工程技术学科安全工程,工程热物理(热流体,单相和多相传热与燃烧)材料科学(热过程对材料性能的影响,敏感材料与元件,阻燃剂/材料的设计,合成与评价)信息科技(计算机视觉,模式识别,人工智能,可视化,网络-远距-无线传输,资源的优化配置与调度),火灾安全的新一代技术层面,以量化和动态为特征的火灾危险性评估以“清洁阻燃、智能探测、清洁快速定位灭火”为主要环节的新一代灾害防治技术以火灾危险性评估和火灾动力学为基础的火灾安全工程设计(性能设计)以3S(GIS,GPS,RS)和火灾动力学为基础的火灾安全科学管理和应急预案,火灾安全的重大基础研究,总体设想,火灾风险评估理论,火灾防治理论,火灾动力学演化理论,学科的现状及发展过程,统计分析阶段随机性规律统计分析与模拟研究独立发展阶段分立的随机性规律及确定性规律统计分析与模拟研究的有机结合随机和确定的双重性规律,火灾基础研究的三个发展阶段,实验研究火灾过程分现象研究：目标是取得对分现象的定量了解，然后综合起来认识整个火灾现象。火灾特殊现象和关键现象的研究：火灾特殊现象指只有在火灾系统中才会发生的特殊的燃烧现象；火灾关键现象指的是人为改变火灾系统中的一些条件或状况所导致的火灾现象的变化。火灾模拟实验方法的研究：火灾的实验现象与实际现象之间建立起科学联系,火灾基础研究的二大领域,热解仍在进行室内充满高温可燃性气体,室内火灾分解过程分现象,传热,热解释放可燃性气体,着火燃烧,高温烟气层,新鲜空气,热烟气,热解气体,典型突变现象,液体燃料(庚烷),计算机模拟研究经验模拟层次：专家系统半物理模拟层次：区域模拟物理模拟层次：物理模拟完全依据基本方程和理论模型火灾过程计算机模拟的优化：场-区-网模拟,火灾基础研究的二大领域,世界火灾科学发展态势,美国圣地亚国家实验室火灾科学与技术实验室,日本建筑火灾研究实验室,瑞典火灾科学技术实验室,美国国家建筑与火灾研究实验室,世界火灾科学前沿,火灾科学发展态势,美国国家建筑与火灾研究实验室,高层建筑火灾,CIBGlobalLeadersSummitonTallBuildings24-26April2002,London,WTC-1的坍塌,WTC-2的坍/倒塌,WTC-7的坍/倒塌,47层SteelPerimeterMomentFrame,撞击对表层结构的破坏,空前艰巨的抢险救援,美国NIST总体战略与计划,美国911WTC坍塌事件调查,近期目标，收集数据用于：工程分析；确定所观察到现象的机理长期目标，进行深入的工程分析，以理解WTC建筑群的性能：坍塌机理，避免坍塌机理；回答：建筑规范和标准是否要修改？如何能把未来建筑设计得减少坍塌的可能？可以为高层建筑火灾人员的紧急反应提供什么导则？,CurrentViewfromSW,AppliedResearchFirePatternAnalysisIndicatorsIgnitionScenariosStudiesImprovedEvidenceCollection&AnalysisMethodsPublicSafety,美国酒、烟和火器局火灾研究实验室,ATFFireResearchLaboratoryAmmendale,MD,N,Groundbreaking-12/99ConstructionStart-8/00CommissioningStart-2/03Operational-7/03,EmphasisonHighConsequenceFireProblemsincluding:LargeFireAnalysis/TestFireSuppressionSolutionsVulnerabilityAnalysesStructure/FireSmokeandFireDetectionandAnalysisOtherEmergingAreas,ImprovedConfidenceinWeaponSafetyAssessmentsidentifyfireasapotentialconcerninthetransportation&storageQualification,SandiasFireScience&TechnologyProgramProvidesSolutionstoProblemsofNationalImportance,美国圣地亚国家实验室火灾科学与技术实验室,ControlledEnvironmentsforExperiments/Tests,FLAME,XTF,ResearchCentreforFireProtectionTechnology(FFB)Karlsruhe,德国火灾科学研究中心,Currentsituationoftheconstructionworks(autumn2002),Startingsituation2001,VehicleFires,Buses,trains,trucks,cars,shipsRiskSuppression,瑞典火灾科学技术实验室,Predictionoftemperature,Modelofwindincities,Roadsidetreesexperiments,Firepropagationpropertiesatwindyclimate,日本建筑火灾研究实验室,世界火灾科学发展态势,火灾科学研究不断深化和拓展，实验室的规模不断扩大既重视火灾过程的实验模拟和计算机模拟，又着力进行实体试验密切结合本国的火灾安全需求，研究方向特色鲜明，总体上形成了丰富的世界火灾科学前沿,世界火灾科学发展态势,重视特殊火现象及火诱导现象的研究重视动力学综合模型研究重视直接面向需求的应用研究重视火灾与人、环境的相互作用宏观与微观相结合、一般现象研究与特殊现象研究相结合、定性与定量相结合、分过程模型与综合模型相结合，是火灾科学基础研究在方法学上的总体发展趋势。,我国现状,主要研究基地,火灾科学国家重点实验室,实验室10年,1亿；5000m2,相关组织及其职能,火灾科学国家重点实验室火灾动力学演化与火灾防治技术基础中国科学院热安全工程技术研究中心火灾/热安全高科技研发及其成果转化安全科学与工程系学历(本科,硕士,工程硕士,博士)与非学历教育(国内外培训,交流合作)全国科普教育基地火灾科学编辑部,火灾动力学演化,火灾防治关键技术,可燃物表面及空间火灾的发生与蔓延,火灾烟气及其毒害物质的生成与传输,综合性能优化的清洁高效阻燃,火灾早期的多信号感知与智能识别,物理化学复合作用下的清洁高效灭火,火灾安全工程理论及方法学,基于火灾动力学与统计理论耦合的火灾风险评估方法学,火灾安全性能化设计方法学,研究方向,实验室研究方向,面向国家重大需求承担国家重大研究任务,主持973项目、中科院知识创新项目、十五科技攻关项目、基金委重大国际合作项目、基金委重点专项项目等，实到项目经费稳中有升。,万元,年份,二期创新前,二期创新后,基础研究：保持良好态势,基础研究：紧密把握世界火灾科学前沿，积极参与国际竞争与合作,据中国科学技术信息研究所统计，本实验室1998-2002发表的SCI论文数在国际300多个从事火灾研究的单位中排名第2，,近3年情况,应用技术研究：稳步发展,应用基础研究：针对火灾防治的重大科学技术问题，通过多学科交叉获取创新的思想与方法，在阻燃、探测、灭火技术等方面取得了突破性进展，并在火灾风险评估与性能化设计方法学方面取得重要进展。,目前的人员结构,研究人员33名平均年龄39.7岁院士1人百人计划1人教育部新世纪人才4名教授12人、博导10人有博士学位的23人客座人员39人技术人员3名；管理人员2名,消防安全产业,火灾科学国家重点实验室,中科院热安全工程技术研究中心,安全防范监控系统智能烟气控制系统清洁高效灭火系统智能火灾探测报警系统防火耐火阻燃材料,性能化防火设计火灾风险评估,消防工程施工安防工程施工弱电总承包,高水平科研成果,高新技术成果输出及技术管理,预期的科技成果转化产业链,横向课题经费开放基金技术使用费,科研,转化,产业链,上中下游协调发展,典型实验设备-大空间火灾实验厅,大空间火灾综合模拟实验平台,自行研制设备举例大型燃烧风洞,试验段：1.8米1.8米7.0米,自行研制设备举例五层火灾烟气运动模拟实验楼(1:2),自行研制设备举例火灾早期特性实验台,自行研制设备举例固体表面火蔓延实验台,自行研制设备举例回燃实验台,轰燃实验台,正面,侧面,多坡段林火实验台,9705全尺寸实验装置,锥形量热计,锥形量热计,国际交流合作,火灾科学问题研究,风,对流柱,垂直火旋风,树冠火,上坡火,飞火,水平火旋风,地下火(阴燃),1.森林火行为规律,可燃物、气象、地形,火灾动力学理论模型,火蔓延速度火强度,扑火指挥决策,三个小时后的过火区域,火场边界,促进我国火灾防治重大关键问题的解决举例森林扑火指挥决策支持系统,人员疏散时间人的行为特征人群疏散规律,探测报警时间火灾的早期特性火灾信号的感知与识别,房间达到危害状态所需时间火灾演化动力学火灾中毒害物质特性热和烟气对人的作用,人员安全疏散所需时间RSET,人员运动准备时间,火灾房间可用安全疏散时间ASET,运动时间,起火,探测,报警,疏散完毕,承受极限,安全设计准则ASETRSET,促进我国火灾防治重大关键问题的解决举例建筑火灾安全性能化设计,抑制着火、减弱热与烟的释放洁净阻燃延缓和消除火灾对人的伤害高效清洁灭火,济南遥墙国际机场新航站楼火灾风险评估,国家大剧院钢结构火灾危险性评估,研究成果成为我国亟待解决的性能化防火设计方法的关键技术支撑,研究成果成为我国亟待解决的性能化防火设计方法的关键技术支撑,北京奥运会主体育场,五棵松奥运篮球馆,北京奥运会老山自行车馆,关键科学问题,火灾动力学演化,火灾防治基础,火灾防治重大新技术的科学基础,可燃物表面及空间火灾的发生与蔓延,火灾烟气及其毒害物质的生成与释放,基于火灾动力学与统计理论耦合的火灾风险评估方法学,综合性能优化的清洁高效阻燃新技术原理,物理化学复合作用下的清洁高效灭火原理,火灾早期的多信号感知与智能识别,可燃物表面及空间火灾的发生与蔓延(a),森林火灾中的无焰氧化向明火转化,可燃物动力学系统成灾机理不同热流条件下可燃物的热解动力学模型综合物理输运过程和化学动力学过程的着火模型阴燃及其向明火转化的机理,可燃物表面及空间火灾的发生与蔓延(b),森林草原火灾的辨识与预测森林草原火灾卫星遥感辩识理论森林草原火灾的自组织临界行为规律基于全球变化的森林草原火灾重灾年的早期诊断及预测,1987年大兴安岭火灾卫星遥感图像,轰燃,回燃,可燃物表面及空间火灾的发生与蔓延(c),火旋风,凝固相火蔓延和特殊火行为热解、相变、流动、传热传质与化学反应的相互耦合作用特殊火行为的非线性动力学模型及能反映非线性本质的数值方法,火的研究现状,着火,火蔓延,特殊火,火旋风,恒热流下的热解模型,着火的化学动力学模型,火蔓延的半物理模型,数据归纳与简化分析,烟气在开放、受限和网络空间中的运动规律烟气运动与火蔓延相互作用火灾毒害物质的生成、释放与迁移毒害物质对人体的影响,火灾烟气及其毒害物质的生成与释放,火灾烟气,火灾条件下人群的疏散规律小样本火灾事件的统计理论基于火灾动力学和小样本统计理论耦合的风险评估方法,基于火灾动力学与统计理论耦合的火灾风险评估方法学,火险！,大火烧毁的民宅,综合性能优化的清洁高效阻燃新技术原理,综合性能优化的阻燃纳米聚合物/层状无机物或金属颗粒复合材料的阻燃机理无卤阻燃材料的膨胀阻燃机理定形相变材料和高效吸湿材料的阻燃机理,(a)纳米复合材料(b)常规复合材料,火灾早期特性,火灾早期的光、烟气（热、气体、固体颗粒）和声的强（浓）度、形与谱特性火灾产物中标识性气体的光声识别非接触式火灾光信号的模式识别多参数和多判据火灾探测理论与方法,火灾早期的多信号感知与智能识别,物理化学复合作用下的清洁高效灭火原理,细水雾灭火,多组分细水雾的产生方法、特性表征与诊断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细水雾对烟气特性和输运过程的影响多组分气体介质快速淬熄燃烧链反应的原理,火灾的复杂性:三维、多相、多尺度、非定常、非线性、非平衡态流动、相变、传热传质和化学反应的相互作用火灾与材料、环境、人及其它干预因素的相互作用双重规律性确定性和随机性,学科交叉性:基础科学：数学、物理、化学与生命科学等技术科学：工程热物理、材料科学、信息科学等管理科学：专家系统、决策理论等,领域交叉性:资源与环境：火灾造成资源破坏与环境污染能源：开采、输运与利用过程中的火灾安全人口与健康：毒害物质对人的危害,复杂性与交叉性是火灾的本质特征,今后发展目标、重点研究领域,公共安全科技体系,防灾减灾安全,核、火灾、爆炸、食品安全,生产安全,地,震,交,通,建,筑,崩,塌,滑,波,洪,水,台,风,矿,山,电,网,化,学,危,险,品,工,业,过,程,反恐防恐,社会安全,突发事件,社会安全,爆炸安全,火灾安全,核安全,食品安全,火灾安全：国家公共安全的重要组成部分,国家中长期科技发展规划首次对公共安全科技问题进行了战略研究，并把公共安全列为我国未来科技发展的重点领域。火灾安全是公共安全领域的跨部门重点研究领域。,火灾安全的发展机遇,推进城市公共安全体系建设,国家中长期科技发展规划战略研究，公共安全的重点在城市国家应急体系建设：三制（体制、机制、法制）、一案（应急预案）紧急状态法的制定城市公共安全综合试点,京津地区特大城市群,张家口市,北京市,天津市,石家庄市,秦皇岛市,我国城市化发展态势,上海市,南京市,杭州市,苏州市,无锡市,宁波市,长三角特大城市群,我国城市化发展态势,珠江三角洲特大城市群,广州市,香港,深圳市,澳门,佛山市,东莞市,我国城市化发展态势,战略重点一：城市重大火灾预防与控制,我国城市化发展速度空前城市规模扩大电气化、管网化城市安全隐患不断加大物资资源聚集人口集中建筑物密集、疏散困难火灾现象复杂化、多样化地下特殊建筑火灾大空间火灾城市火旋风高层建筑结构破坏,城市重大火灾预防与控制,基础研究课题：可燃物热解动力学与火灾早期特性建筑物与城市火蔓延的机理和规律轰燃、回燃等特殊火行为的非线性动力学机理典型公共场所火灾环境下人群行为特征、疏散规律和逃生模型我国城市重大火灾发展蔓延模型高大空间火灾烟气运动及有害组分的释放与迁移高温下建筑结构材料的力学和热学性能结构构件在火灾下的结构反应和抗火性能热与力综合作用下建筑结构破坏的临界条件及方式,发展的战略重点,城市重大火灾预防与控制,技术研究课题：城市火灾安全规划与风险评估方法火灾安全性能化设计方法学火灾安全管理标准化体系的研究综合性能优化的清洁高效阻燃技术物理化学复合作用下的清洁高效灭火技术材料的火灾危险性评价技术火灾早期的多信号感知与智能识别技术高大及特殊空间烟气控制技术消防通信指挥与计算机辅助决策技术火灾救援技术与装备,发展的战略重点,火灾风险评估总体思路,火灾发生概率,火灾蔓延概率,消防系统有效性,火灾随机性分析,火灾