项目名称：    火灾动力学演化中若干关键科学问题研究

推荐单位：    中国科学院

项目简介：    本项目属工程热物理领域。火灾动力学演化包含流动、相变、传热传质和化学反应等复杂物理化学过程。本项目针对火灾孕育、发生和发展中若干关键科学问题，提出新的学术思路和研究方法，取得创新成果：(1)揭示Freeman-Carroll热解反应分析方法不稳定性的理论根源，建立新的微分型热解反应分析方法；建立热解数据高斯平滑策略，揭示积分型热解反应分析方法的理论误差级；建立可燃物热解反应的"双组分分阶段一级反应模型"，被国际学者证实与推广，评价为"清楚表明热解本质"、"是对热解数值分析的重要贡献"。(2)提出可燃物热解与着火物理过程研究新思路，建立火灾变热流条件下纤维素质材料热解物理模型和着火判据，国际学者评价"研究工作新颖出色，表明中国火灾科学研究水平不断提高"。(3)研制回燃模拟实验平台并获国家发明专利，发现开口形式对回燃的影响规律；建立回燃非线性动力学模型，国际学者评价"对此复杂火灾安全工程问题给出了很好的非线性分析方法"。(4)提出广义抗火性概念，建立预测森林大火发生的新模型，揭示森林大火发生频率呈重尾分布的根本原因，国际同行评价"量化了森林大火的发生风险"。(5)揭示扬沸火灾中油水界面热物理过程与扬沸前兆噪声特性及火焰结构的内在关联，提出并建立基于噪声辨识的扬沸突变前兆预测方法。

发表代表性论著41篇部，包括论文37篇，我国第一部火灾科学著作和International Academic Publishers与Pergamon Press联合出版的专著。论文被SCI收录26篇，EI 收录23篇；授权发明专利1项。论著他引370次，其中SCI他引49次，EI他引78次。由Nova Science Publishers出版的专著特邀撰写一章介绍本项目回燃研究成果。获国际火灾安全科学协会最佳博士论文奖和中国科学院优秀博士论文奖各1次，1人获中国科学院院长特别奖，3人入选教育部新世纪优秀人才计划。项目负责人任国际火灾科学首脑论坛唯一副主席，国际火灾安全科学协会常务理事，亚澳火灾科学技术学会主席和名誉主席。

主要发现点：  (1) 揭示Freeman-Carroll（FC）热解反应动力学分析方法不稳定性的理论根源，建立新的微分型热解反应动力学分析方法；建立热解数据高斯平滑策略，并揭示积分型热解反应分析方法的理论误差级；突破国际上"全局模拟"的思想，建立描述可燃物热解反应过程的"双组分分阶段一级反应模型（PBSM模型）"，被国际学者证实与推广应用。该发现点所属学科名称：燃烧学，支持该发现点的代表性论著序号是1、2、8和11-19、27。

(2) 提出广义抗火性的概念，量化了火灾抑制因素的影响，建立了新的森林火灾元胞自动机模型，揭示了森林大火发生频率呈现重尾分布的根本原因，量化了森林大火的发生风险，进而发展了基于神经网络的森林火险分析方法。该发现点所属学科名称：燃烧学，支持该发现点的代表性论著序号是3、11-14、35-38，41。

(3) 针对火灾发展中具突发性和破坏性的回燃现象，研制回燃模拟实验平台，发现腔体开口形式对回燃的影响规律，揭示了回燃发生前重力流的精细流场特征；将突变理论引入到回燃现象的研究，建立了体现回燃突变特性的非线性动力学模型。该发现点所属学科名称：燃烧学，支持该发现点的代表性论著序号是4、6、9、11-14、21-22、24-25、33-34。

(4) 提出可燃物热解与着火物理过程研究的新思路和模拟实验技术，建立纤维素质可燃物在火灾变化热流条件下的热解物理模型和着火判据，获得线性上升热流下着火时间与热流变化率及可燃物密度间的经验关系式；改进和完善了恒定热流条件下固体可燃物热解和着火的经典一维物理模型。该发现点所属学科名称：燃烧学，支持该发现点的代表性论著序号是5、10、11-14、20、26、28-32。

(5) 提出基于噪声辨识预测扬沸发生的新思想，从实验和理论两方面揭示了油水界面气泡生长动力学特性对扬沸火灾形成的影响机制，发现扬沸火灾中油水界面热物理过程与扬沸前兆噪声特性及火焰结构的内在关联，建立基于噪声辨识的扬沸突变前兆预测方法。该发现点所属学科名称：燃烧学，支持该发现点的代表性论著序号是7、11-14、23、39-40。

(6) 自主研制出多个在国际上独具特色的火灾基础研究实验平台，主要包括：火灾早期特性实验平台、回燃模拟实验平台、扬沸火灾模拟实验平台等。其中回燃模拟实验平台已获国家发明专利。该发现点所属学科名称：燃烧学，支持该发现点的代表性论文序号是4-7、10、22-23。

主要完成人：  1.   范维澄

项目的组织者和领导者，提出本项目的关键学术思想和技术路线。首次提出并建立基于噪声辨识的扬沸突变前兆预报方法（第5发现点）；主持研制出回燃、扬沸火灾模拟实验台等平台（第6发现点）；研究了可燃物热解的化学反应和物理模型（第1、4发现点），回燃非线性动力学模型（第3发现点）和森林火灾的自组织临界性（第2发现点）。在该项研究中的工作量约占本人工作量的60%。

(注：项目执行期内担任刘乃安、宋卫国和翁文国的博士研究生导师，并担任杨立中博士后研究合作导师)

2.   刘乃安

项目主要参加者。揭示Freeman-Carroll（FC）热解反应分析方法不稳定性的理论根源，建立新的微分型热解反应分析方法和热解数据高斯平滑策略，揭示积分型热解反应分析方法的理论误差级，建立可燃物热解"双组分分阶段一级反应模型（PBSM模型）（第1发现点）。在该项研究中的工作量约占本人工作量的80%。

3.   宋卫国

项目主要参加者。提出广义抗火性的概念，建立预测大规模火灾发生的新模型，揭示了大规模火灾重尾分布的根本原因，进而发展了基于神经网络的火险分析方法（第2发现点）。在该项研究中的工作量约占本人工作量的80%。

4.   翁文国

项目主要参加者。揭示回燃前重力流的精细流场特征，发现腔体开口形式对回燃的影响规律，率先把突变理论应用到回燃现象的研究，建立了回燃非线性动力学理论模型（第3发现点）；参加回燃模拟实验平台研制（第6发现点）。在该项研究中的工作量约占本人工作量的80%。

5.   杨立中

项目主要参加者。主持研制火灾早期特性实验平台（第6发现点），建立纤维素质可燃物在火灾变化热流条件下的热解物理模型和着火判据，获得线性上升热流下着火时间与热流变化率及可燃物密度间的经验关系式，改进和完善了恒定热流条件下固体可燃物热解和着火的经典一维物理模型（第4发现点）。在该项研究中的工作量约占本人工作量的80%。

10篇代表性论文：  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