高原低壓低氧特殊環(huán)境下火災(zāi)防治的熱物理問題

我國(guó)擁有廣袤的高原面積，高原上古建筑眾多，大多采用木結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生火災(zāi)將會(huì)造成無法估量的損失。高原火災(zāi)動(dòng)力學(xué)有獨(dú)特的規(guī)律，對(duì)其開展研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。本項(xiàng)目主要研究低壓低氧環(huán)境對(duì)火災(zāi)基本分過程的影響規(guī)律，包括4個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容：低壓低氧條件下固體可燃物熱解著火規(guī)律、低壓低氧條件下材料燃燒特征及火蔓延行為、低壓低氣體密度條件下火羽流卷吸及煙氣蔓延動(dòng)力學(xué)特征、低壓低氧環(huán)境對(duì)火災(zāi)熱物理信號(hào)的影響作用機(jī)制與火災(zāi)識(shí)別方法。四年來，本項(xiàng)目通過自行研制的模擬尺度實(shí)驗(yàn)、高原地區(qū)全尺寸實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等手段，在高原火災(zāi)動(dòng)力學(xué)研究方面取得了國(guó)際領(lǐng)先水平的成果。在可燃物熱解著火規(guī)律研究方面，發(fā)現(xiàn)隨海拔高度的增加，可燃液體閃點(diǎn)下降的幅度將越來越快，可燃固體著火時(shí)間也會(huì)變短，而用所建立的新點(diǎn)燃模型可計(jì)算獲得環(huán)境壓力對(duì)固體材料著火特性影響的“U”型變化規(guī)律。在材料燃燒特征及火蔓延行為方面，我們開展了不同種類可燃材料和不同蔓延方式的大量火蔓延實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨環(huán)境壓力的下降，火蔓延速率下降；通過相關(guān)的理論分析，建立了能解釋實(shí)驗(yàn)所獲得規(guī)律的理論模型。在火羽流卷吸及煙氣蔓延動(dòng)力學(xué)方面，以油池火和氣體射流火作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)氣體射流火火焰中心軸線溫度在不同區(qū)域隨環(huán)境壓力變化的不同規(guī)律，而油池火最大火焰溫度則在低氣壓環(huán)境下更高，即使是火旋風(fēng)，其在高原地區(qū)的燃燒速率也會(huì)降低；對(duì)隧道煙氣分布而言，不同環(huán)境壓力下的濃度縱向分布類似，但煙氣溫度衰減在低壓時(shí)更快，同樣對(duì)此建立了理論模型進(jìn)行解釋。在低壓低氧環(huán)境對(duì)火災(zāi)熱物理信號(hào)的影響作用機(jī)制與火災(zāi)識(shí)別方法方面，發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力對(duì)油池火燃燒速率、火焰高度的影響與油池直徑密切相關(guān)，主要因?yàn)橛统爻叽鐩Q定了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳熱的不同熱反饋機(jī)制，由于低壓下火焰浮力增強(qiáng)，火焰輻射分?jǐn)?shù)隨環(huán)境壓力下降而下降，而火焰脈動(dòng)頻率則隨環(huán)境壓力下降而上升。 通過研究，我們發(fā)現(xiàn)了大量高原環(huán)境條件下特有的火災(zāi)現(xiàn)象，建立了低壓低氧環(huán)境下可燃物熱解著火的物理模型，發(fā)展了低壓低氧燃燒與流動(dòng)耦合作用下煙氣與表面火蔓延理論模型，揭示了低壓低氧環(huán)境條件下火焰高度、振蕩頻率等火災(zāi)探測(cè)熱物理參量的變化機(jī)制，為我國(guó)高原火災(zāi)的防治提供了強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。到目前為止，本項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)表論文75篇，其中SCI收錄57篇，EI收錄12篇（不重復(fù)統(tǒng)計(jì)）。授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)、實(shí)用新型專利5項(xiàng)、外觀設(shè)計(jì)專利1項(xiàng)。

本項(xiàng)目面向高原低壓低氧特殊環(huán)境條件下的火災(zāi)防治需求，通過建立不同海拔高度下的火災(zāi)燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)可燃物熱解與著火、火蔓延、火羽流卷吸與煙氣蔓延以及火災(zāi)熱物理信號(hào)識(shí)別方法進(jìn)行研究。揭示大氣壓力和氧氣濃度對(duì)可燃物熱解行為的影響規(guī)律，建立高原特殊低壓低氧環(huán)境下可燃物燃燒速率模型及火焰高度無量綱模型，揭示高原低壓低氧環(huán)境條件對(duì)水平和垂直固體表面火蔓延的影響機(jī)制；建立高原低壓低環(huán)境密度條件下的火羽流卷吸模型及羽流中心線溫度隨高度變化的理論模型，發(fā)展高原低壓低氧條件下火災(zāi)煙氣充填的數(shù)學(xué)模型；揭示低壓低氧燃燒與流動(dòng)耦合作用下火災(zāi)探測(cè)熱物理參量的變化機(jī)制，發(fā)展低壓低氧環(huán)境下火災(zāi)信號(hào)識(shí)別方法。研究成果有望揭示壓力和絕對(duì)氧濃度同時(shí)降低情況下的燃燒行為特性以及高原低氧濃度條件下火蔓延的科學(xué)本質(zhì)，建立具有我國(guó)地理特性的高原低壓低氧特殊條件下的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)演化理論，豐富世界火災(zāi)科學(xué)研究范疇。

在我國(guó)關(guān)于低氧的調(diào)查研究還比較少，大多數(shù)關(guān)于低氧的報(bào)道集中在長(zhǎng)江口外和珠江口附近一些近岸海域

及東海等海區(qū)，這些海區(qū)的低氧大多是季節(jié)性的底層低氧，引起低氧的主要原因是密度梯度、溫度梯度引起的水體分層和水體富營(yíng)養(yǎng)化。其中珠江口的低氧程度比較強(qiáng)，最低溶氧范圍長(zhǎng)時(shí)間維持在0.93 ～ 1.77 mg /L 的范圍，東海的低氧范圍較大，2003 年調(diào)查結(jié)果顯示，東海海域DO 濃度小于2 ～ 3 mg /L 的區(qū)域超過12 000 m 。

1、低氧對(duì)生物分子水平的影響低氧環(huán)境會(huì)改變生物部分基因的表達(dá)和( 或) 信使核糖核酸mRNA 的轉(zhuǎn)譯，這些改變會(huì)放大為一系列的生物化學(xué)和生理學(xué)的響應(yīng)，使生物在低氧環(huán)境下得以繼續(xù)生存。

2、低氧對(duì)生物化學(xué)水平的影響

3、低氧對(duì)生物個(gè)體水平的影響 低氧會(huì)對(duì)生物的行為、生長(zhǎng)、繁殖產(chǎn)生影響。

4、低氧對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響 大型底棲生物群落會(huì)受到水體底層低氧的直接影響。低氧使常氧環(huán)境中的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，物種容易丟失。

適合于人類生活的溫度范圍是很窄的。對(duì)于人體不適應(yīng)的劇烈寒暑變化的天然環(huán)境，人類創(chuàng)造了房屋、火爐以及現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)施以減少外界氣候變化的影響，并獲得生存所必需的人工熱環(huán)境。人處在任何環(huán)境中，都要不停地與環(huán)境進(jìn)行熱交換。人體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和向環(huán)境散失的熱量要保持平衡。由于人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能很強(qiáng)，所以人體適應(yīng)的環(huán)境冷熱變化的范圍相當(dāng)寬，但是人們感覺舒適的范圍卻窄得多。人體既不感覺冷，也不感覺熱的環(huán)境溫度大約為15～25℃。