項目名稱：    火災動力學演化中若干關鍵科學問題研究

推薦單位：    中國科學院

項目簡介：    本項目屬工程熱物理領域。火災動力學演化包含流動、相變、傳熱傳質和化學反應等復雜物理化學過程。本項目針對火災孕育、發生和發展中若干關鍵科學問題，提出新的學術思路和研究方法，取得創新成果：(1)揭示Freeman-Carroll熱解反應分析方法不穩定性的理論根源，建立新的微分型熱解反應分析方法；建立熱解數據高斯平滑策略，揭示積分型熱解反應分析方法的理論誤差級；建立可燃物熱解反應的"雙組分分階段一級反應模型"，被國際學者證實與推廣，評價為"清楚表明熱解本質"、"是對熱解數值分析的重要貢獻"。(2)提出可燃物熱解與著火物理過程研究新思路，建立火災變熱流條件下纖維素質材料熱解物理模型和著火判據，國際學者評價"研究工作新穎出色，表明中國火災科學研究水平不斷提高"。(3)研制回燃模擬實驗平臺并獲國家發明專利，發現開口形式對回燃的影響規律；建立回燃非線性動力學模型，國際學者評價"對此復雜火災安全工程問題給出了很好的非線性分析方法"。(4)提出廣義抗火性概念，建立預測森林大火發生的新模型，揭示森林大火發生頻率呈重尾分布的根本原因，國際同行評價"量化了森林大火的發生風險"。(5)揭示揚沸火災中油水界面熱物理過程與揚沸前兆噪聲特性及火焰結構的內在關聯，提出并建立基于噪聲辨識的揚沸突變前兆預測方法。

發表代表性論著41篇部，包括論文37篇，我國第一部火災科學著作和International Academic Publishers與Pergamon Press聯合出版的專著。論文被SCI收錄26篇，EI 收錄23篇；授權發明專利1項。論著他引370次，其中SCI他引49次，EI他引78次。由Nova Science Publishers出版的專著特邀撰寫一章介紹本項目回燃研究成果。獲國際火災安全科學協會最佳博士論文獎和中國科學院優秀博士論文獎各1次，1人獲中國科學院院長特別獎，3人入選教育部新世紀優秀人才計劃。項目負責人任國際火災科學首腦論壇唯一副主席，國際火災安全科學協會常務理事，亞澳火災科學技術學會主席和名譽主席。

主要發現點：  (1) 揭示Freeman-Carroll（FC）熱解反應動力學分析方法不穩定性的理論根源，建立新的微分型熱解反應動力學分析方法；建立熱解數據高斯平滑策略，并揭示積分型熱解反應分析方法的理論誤差級；突破國際上"全局模擬"的思想，建立描述可燃物熱解反應過程的"雙組分分階段一級反應模型（PBSM模型）"，被國際學者證實與推廣應用。該發現點所屬學科名稱：燃燒學，支持該發現點的代表性論著序號是1、2、8和11-19、27。

(2) 提出廣義抗火性的概念，量化了火災抑制因素的影響，建立了新的森林火災元胞自動機模型，揭示了森林大火發生頻率呈現重尾分布的根本原因，量化了森林大火的發生風險，進而發展了基于神經網絡的森林火險分析方法。該發現點所屬學科名稱：燃燒學，支持該發現點的代表性論著序號是3、11-14、35-38，41。

(3) 針對火災發展中具突發性和破壞性的回燃現象，研制回燃模擬實驗平臺，發現腔體開口形式對回燃的影響規律，揭示了回燃發生前重力流的精細流場特征；將突變理論引入到回燃現象的研究，建立了體現回燃突變特性的非線性動力學模型。該發現點所屬學科名稱：燃燒學，支持該發現點的代表性論著序號是4、6、9、11-14、21-22、24-25、33-34。

(4) 提出可燃物熱解與著火物理過程研究的新思路和模擬實驗技術，建立纖維素質可燃物在火災變化熱流條件下的熱解物理模型和著火判據，獲得線性上升熱流下著火時間與熱流變化率及可燃物密度間的經驗關系式；改進和完善了恒定熱流條件下固體可燃物熱解和著火的經典一維物理模型。該發現點所屬學科名稱：燃燒學，支持該發現點的代表性論著序號是5、10、11-14、20、26、28-32。

(5) 提出基于噪聲辨識預測揚沸發生的新思想，從實驗和理論兩方面揭示了油水界面氣泡生長動力學特性對揚沸火災形成的影響機制，發現揚沸火災中油水界面熱物理過程與揚沸前兆噪聲特性及火焰結構的內在關聯，建立基于噪聲辨識的揚沸突變前兆預測方法。該發現點所屬學科名稱：燃燒學，支持該發現點的代表性論著序號是7、11-14、23、39-40。

(6) 自主研制出多個在國際上獨具特色的火災基礎研究實驗平臺，主要包括：火災早期特性實驗平臺、回燃模擬實驗平臺、揚沸火災模擬實驗平臺等。其中回燃模擬實驗平臺已獲國家發明專利。該發現點所屬學科名稱：燃燒學，支持該發現點的代表性論文序號是4-7、10、22-23。

主要完成人：  1.   范維澄

項目的組織者和領導者，提出本項目的關鍵學術思想和技術路線。首次提出并建立基于噪聲辨識的揚沸突變前兆預報方法（第5發現點）；主持研制出回燃、揚沸火災模擬實驗臺等平臺（第6發現點）；研究了可燃物熱解的化學反應和物理模型（第1、4發現點），回燃非線性動力學模型（第3發現點）和森林火災的自組織臨界性（第2發現點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的60%。

(注：項目執行期內擔任劉乃安、宋衛國和翁文國的博士研究生導師，并擔任楊立中博士后研究合作導師)

2.   劉乃安

項目主要參加者。揭示Freeman-Carroll（FC）熱解反應分析方法不穩定性的理論根源，建立新的微分型熱解反應分析方法和熱解數據高斯平滑策略，揭示積分型熱解反應分析方法的理論誤差級，建立可燃物熱解"雙組分分階段一級反應模型（PBSM模型）（第1發現點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的80%。

3.   宋衛國

項目主要參加者。提出廣義抗火性的概念，建立預測大規模火災發生的新模型，揭示了大規模火災重尾分布的根本原因，進而發展了基于神經網絡的火險分析方法（第2發現點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的80%。

4.   翁文國

項目主要參加者。揭示回燃前重力流的精細流場特征，發現腔體開口形式對回燃的影響規律，率先把突變理論應用到回燃現象的研究，建立了回燃非線性動力學理論模型（第3發現點）；參加回燃模擬實驗平臺研制（第6發現點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的80%。

5.   楊立中

項目主要參加者。主持研制火災早期特性實驗平臺（第6發現點），建立纖維素質可燃物在火災變化熱流條件下的熱解物理模型和著火判據，獲得線性上升熱流下著火時間與熱流變化率及可燃物密度間的經驗關系式，改進和完善了恒定熱流條件下固體可燃物熱解和著火的經典一維物理模型（第4發現點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的80%。

10篇代表性論文：  1.   Critical consideration on the Freeman and Carroll methods for evaluating global mass loss kinetics of polymer thermal degradation/Thermochimica Acta

2.   Kinetic modeling of thermal decomposition of natural cellulosic materials in air atmosphere/Journal of Analytical and Applied Pyrolysis

3.   Self-organized criticality of forest fire in China/ Ecological Modelling

4.   Experimental study of back-draft in a compartment with openings of different geometries/Combustion and Flame

5.   The pyrolysis and ignition of charring materials under an external heat flux/ Combustion and Flame

6.   A model of backdraft phenomenon in building fires/ Progress in Natural Science

7.   Experimental study on the premonitory phenomena of boilover in liquid pool fires supported on water/ Journal of Loss Prevention in the Process Industries

8.   Modelling the thermal decompositions of wood and leaves under a nitrogen atmosphere/Fire and Materials

9.   Wavelet-based image denoising in (Digital) particle image velocimetry/Signal Processing

10.  Experimental study on scale effect on mass loss rate of some woods/Journal of Fire Sciences