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UniversityofScienceandTechnologyofChina中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室杨立中UniversityofScienceandTechnologyofChina前言UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChinaUniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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”。UniversityofScienceandTechnologyofChina火灾科学的兴起国际火灾安全科学学会InternationalAssociationforFireSafetyScienceFoundedin19856thINTERNATIONALSYMPOSIUMONFIRESAFETYSCIENCEENSMA-UNIVERSITYOFPOITIERS,FRANCE,July5th-9th,1999第一届国际火灾科学大会火灾物理火灾化学烟的毒性统计和火灾危险性人和火灾的相互作用火灾探测火灾对结构的破坏火灾的特殊问题扑救技术和火灾研究的工程应用UniversityofScienceandTechnologyofChina0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.019901992199419961998200020022004亿元火灾安全：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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina火灾安全科研的总体构思国家重大需求：减少火灾对人类生产、生活及资源环境的危害新一代科技减灾的技术层面支撑技术层面的重大科学问题UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina与火灾科学密切相关的学科•基础科学:1.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)2.化学(化学动力学,热化学)3.生命科学(生物质的热解与燃烧,生物体被热-烟-毒的损伤)UniversityofScienceandTechnologyofChina与火灾科学密切相关的学科续•工程技术学科1.安全工程,2.工程热物理(热流体,单相和多相传热与燃烧)3.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)4.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)UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina学科的现状及发展过程UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina典型突变现象00.511.522.533.544.555.505101520实验编号气体体积浓度(%)回燃不产生回燃产生液体燃料(庚烷)56789101112130123456789压力峰值(Pa)燃料质量百分比(%)回燃不产生回燃产生临界值气体燃料(甲烷)UniversityofScienceandTechnologyofChina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UniversityofScienceandTechnologyofChina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RadiationConvectonFlyingbrandsWindincitiesUniversityofScienceandTechnologyofChina第八届国际火灾科学大会火灾物理火灾化学火灾蔓延腔室火灾火焰行为风险和决策分析火灾统计学和概率火灾探测火灾抑制与灭火材料火行为与阻燃技术烟气控制性能化设计测试方法与火灾中人的行为建筑结构响应和设计国际火灾安全科学学会InternationalAssociationforFireSafetyScienceFoundedin19858thINTERNATIONALSYMPOSIUMONFIRESAFETYSCIENCE,Beijing,China,September19th-23th,2005世界火灾科学前沿UniversityofScienceandTechnologyofChina火灾科学发展态势美国国家建筑与火灾研究实验室UniversityofScienceandTechnologyofChina高层建筑火灾•CIBGlobalLeadersSummitonTallBuildings24-26April2002,LondonUniversityofScienceandTechnologyofChinaWTC-1的坍塌UniversityofScienceandTechnologyofChinaWTC-2的坍/倒塌UniversityofScienceandTechnologyofChinaWTC-7的坍/倒塌47层SteelPerimeterMomentFrameUniversityofScienceandTechnologyofChina撞击对表层结构的破坏UniversityofScienceandTechnologyofChina空前艰巨的抢险救援UniversityofScienceandTechnologyofChina美国NIST总体战略与计划WTC调查研究研究、检测/确认、演示改进工具及导则用于修订标准和规范修订标准和规范工业界主导的传播与支持计划(CII,FIATECH,CERF,NIBS…)RoadmapFY’02FY’03FY’04FY’05UniversityofScienceandTechnologyofChina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？UniversityofScienceandTechnologyofChinaCurrentViewfromSWUniversityofScienceandTechnologyofChinaAppliedResearchFirePatternAnalysisIndicatorsIgnitionScenariosStudiesImprovedEvidenceCollection&AnalysisMethodsPublicSafety美国酒、烟和火器局火灾研究实验室UniversityofScienceandTechnologyofChinaATFFireResearchLaboratoryAmmendale,MDNGroundbreaking-12/99ConstructionStart-8/00CommissioningStart-2/03Operational-7/03UniversityofScienceandTechnologyofChinaEmphasisonHighConsequenceFireProblemsincluding:•LargeFireAnalysis/Test•FireSuppressionSolutions••VulnerabilityAnalyses•Structure/Fire•SmokeandFireDetec