項目名稱：    火災(zāi)動力學(xué)演化中若干關(guān)鍵科學(xué)問題研究

推薦單位：    中國科學(xué)院

項目簡介：    本項目屬工程熱物理領(lǐng)域。火災(zāi)動力學(xué)演化包含流動、相變、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜物理化學(xué)過程。本項目針對火災(zāi)孕育、發(fā)生和發(fā)展中若干關(guān)鍵科學(xué)問題，提出新的學(xué)術(shù)思路和研究方法，取得創(chuàng)新成果：(1)揭示Freeman-Carroll熱解反應(yīng)分析方法不穩(wěn)定性的理論根源，建立新的微分型熱解反應(yīng)分析方法；建立熱解數(shù)據(jù)高斯平滑策略，揭示積分型熱解反應(yīng)分析方法的理論誤差級；建立可燃物熱解反應(yīng)的"雙組分分階段一級反應(yīng)模型"，被國際學(xué)者證實與推廣，評價為"清楚表明熱解本質(zhì)"、"是對熱解數(shù)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(zāi)變熱流條件下纖維素質(zhì)材料熱解物理模型和著火判據(jù)，國際學(xué)者評價"研究工作新穎出色，表明中國火災(zāi)科學(xué)研究水平不斷提高"。(3)研制回燃模擬實驗平臺并獲國家發(fā)明專利，發(fā)現(xiàn)開口形式對回燃的影響規(guī)律；建立回燃非線性動力學(xué)模型，國際學(xué)者評價"對此復(fù)雜火災(zāi)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(yù)測森林大火發(fā)生的新模型，揭示森林大火發(fā)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(fā)生風(fēng)險"。(5)揭示揚沸火災(zāi)中油水界面熱物理過程與揚沸前兆噪聲特性及火焰結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出并建立基于噪聲辨識的揚沸突變前兆預(yù)測方法。

發(fā)表代表性論著41篇部，包括論文37篇，我國第一部火災(zāi)科學(xué)著作和International Academic Publishers與Pergamon Press聯(lián)合出版的專著。論文被SCI收錄26篇，EI 收錄23篇；授權(quán)發(fā)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(zāi)安全科學(xué)協(xié)會最佳博士論文獎和中國科學(xué)院優(yōu)秀博士論文獎各1次，1人獲中國科學(xué)院院長特別獎，3人入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃。項目負(fù)責(zé)人任國際火災(zāi)科學(xué)首腦論壇唯一副主席，國際火災(zāi)安全科學(xué)協(xié)會常務(wù)理事，亞澳火災(zāi)科學(xué)技術(shù)學(xué)會主席和名譽主席。

主要發(fā)現(xiàn)點：  (1) 揭示Freeman-Carroll（FC）熱解反應(yīng)動力學(xué)分析方法不穩(wěn)定性的理論根源，建立新的微分型熱解反應(yīng)動力學(xué)分析方法；建立熱解數(shù)據(jù)高斯平滑策略，并揭示積分型熱解反應(yīng)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(yīng)過程的"雙組分分階段一級反應(yīng)模型（PBSM模型）"，被國際學(xué)者證實與推廣應(yīng)用。該發(fā)現(xiàn)點所屬學(xué)科名稱：燃燒學(xué)，支持該發(fā)現(xiàn)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(zāi)抑制因素的影響，建立了新的森林火災(zāi)元胞自動機模型，揭示了森林大火發(fā)生頻率呈現(xiàn)重尾分布的根本原因，量化了森林大火的發(fā)生風(fēng)險，進而發(fā)展了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的森林火險分析方法。該發(fā)現(xiàn)點所屬學(xué)科名稱：燃燒學(xué)，支持該發(fā)現(xiàn)點的代表性論著序號是3、11-14、35-38，41。

(3) 針對火災(zāi)發(fā)展中具突發(fā)性和破壞性的回燃現(xiàn)象，研制回燃模擬實驗平臺，發(fā)現(xiàn)腔體開口形式對回燃的影響規(guī)律，揭示了回燃發(fā)生前重力流的精細流場特征；將突變理論引入到回燃現(xiàn)象的研究，建立了體現(xiàn)回燃突變特性的非線性動力學(xué)模型。該發(fā)現(xiàn)點所屬學(xué)科名稱：燃燒學(xué)，支持該發(fā)現(xiàn)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(shù)，建立纖維素質(zhì)可燃物在火災(zāi)變化熱流條件下的熱解物理模型和著火判據(jù)，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(jīng)驗關(guān)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(jīng)典一維物理模型。該發(fā)現(xiàn)點所屬學(xué)科名稱：燃燒學(xué)，支持該發(fā)現(xiàn)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(yù)測揚沸發(fā)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(xué)特性對揚沸火災(zāi)形成的影響機制，發(fā)現(xiàn)揚沸火災(zāi)中油水界面熱物理過程與揚沸前兆噪聲特性及火焰結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，建立基于噪聲辨識的揚沸突變前兆預(yù)測方法。該發(fā)現(xiàn)點所屬學(xué)科名稱：燃燒學(xué)，支持該發(fā)現(xiàn)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(zāi)基礎(chǔ)研究實驗平臺，主要包括：火災(zāi)早期特性實驗平臺、回燃模擬實驗平臺、揚沸火災(zāi)模擬實驗平臺等。其中回燃模擬實驗平臺已獲國家發(fā)明專利。該發(fā)現(xiàn)點所屬學(xué)科名稱：燃燒學(xué)，支持該發(fā)現(xiàn)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(lǐng)導(dǎo)者，提出本項目的關(guān)鍵學(xué)術(shù)思想和技術(shù)路線。首次提出并建立基于噪聲辨識的揚沸突變前兆預(yù)報方法（第5發(fā)現(xiàn)點）；主持研制出回燃、揚沸火災(zāi)模擬實驗臺等平臺（第6發(fā)現(xiàn)點）；研究了可燃物熱解的化學(xué)反應(yīng)和物理模型（第1、4發(fā)現(xiàn)點），回燃非線性動力學(xué)模型（第3發(fā)現(xiàn)點）和森林火災(zāi)的自組織臨界性（第2發(fā)現(xiàn)點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的60%。

(注：項目執(zhí)行期內(nèi)擔(dān)任劉乃安、宋衛(wèi)國和翁文國的博士研究生導(dǎo)師，并擔(dān)任楊立中博士后研究合作導(dǎo)師)

2.   劉乃安

項目主要參加者。揭示Freeman-Carroll（FC）熱解反應(yīng)分析方法不穩(wěn)定性的理論根源，建立新的微分型熱解反應(yīng)分析方法和熱解數(shù)據(jù)高斯平滑策略，揭示積分型熱解反應(yīng)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(yīng)模型（PBSM模型）（第1發(fā)現(xiàn)點）。在該項研究中的工作量約占本人工作量的80%。

3.   宋衛(wèi)國

項目主要參加者。提出廣義抗火性的概念，建立預(yù)測大規(guī)模火災(zāi)發(fā)生的新模型，揭示了大規(guī)�；馂�(zāi)重尾分布的根本原因，進而發(fā)展了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火險分析方法（第2發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)腔體開口形式對回燃的影響規(guī)律，率先把突變理論應(yīng)用到回燃現(xiàn)象的研究，建立了回燃非線性動力學(xué)理論模型（第3發(fā)現(xiàn)點）；參加回燃模擬實驗平臺研制（第6發(fā)現(xiàn)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(zāi)早期特性實驗平臺（第6發(fā)現(xiàn)點），建立纖維素質(zhì)可燃物在火災(zāi)變化熱流條件下的熱解物理模型和著火判據(jù)，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(jīng)驗關(guān)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(jīng)典一維物理模型（第4發(fā)現(xiàn)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