高原低壓低氧特殊環(huán)境下火災防治的熱物理問題結題摘要

我國擁有廣袤的高原面積，高原上古建筑眾多，大多采用木結構，一旦發(fā)生火災將會造成無法估量的損失。高原火災動力學有獨特的規(guī)律，對其開展研究具有重要的科學意義和實用價值。本項目主要研究低壓低氧環(huán)境對火災基本分過程的影響規(guī)律，包括4個方面的研究內(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力學特征、低壓低氧環(huán)境對火災熱物理信號的影響作用機制與火災識別方法。四年來，本項目通過自行研制的模擬尺度實驗、高原地區(qū)全尺寸實驗、理論分析和數(shù)值模擬等手段，在高原火災動力學研究方面取得了國際領先水平的成果。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，可燃液體閃點下降的幅度將越來越快，可燃固體著火時間也會變短，而用所建立的新點燃模型可計算獲得環(huán)境壓力對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驗，發(fā)現(xiàn)隨環(huán)境壓力的下降，火蔓延速率下降；通過相關的理論分析，建立了能解釋實驗所獲得規(guī)律的理論模型。在火羽流卷吸及煙氣蔓延動力學方面，以油池火和氣體射流火作為研究對象，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，其在高原地區(qū)的燃燒速率也會降低；對隧道煙氣分布而言，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更快，同樣對此建立了理論模型進行解釋。在低壓低氧環(huán)境對火災熱物理信號的影響作用機制與火災識別方法方面，發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力對油池火燃燒速率、火焰高度的影響與油池直徑密切相關，主要因為油池尺寸決定了傳導、對流和輻射傳熱的不同熱反饋機制，由于低壓下火焰浮力增強，火焰輻射分數(shù)隨環(huán)境壓力下降而下降，而火焰脈動頻率則隨環(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、振蕩頻率等火災探測熱物理參量的變化機制，為我國高原火災的防治提供了強有力的科學支撐。到目前為止，本項目已經(jīng)發(fā)表論文75篇，其中SCI收錄57篇，EI收錄12篇（不重復統(tǒng)計）。授權發(fā)明專利1項、實用新型專利5項、外觀設計專利1項。

本項目面向高原低壓低氧特殊環(huán)境條件下的火災防治需求，通過建立不同海拔高度下的火災燃燒實驗平臺,對可燃物熱解與著火、火蔓延、火羽流卷吸與煙氣蔓延以及火災熱物理信號識別方法進行研究。揭示大氣壓力和氧氣濃度對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)境條件對水平和垂直固體表面火蔓延的影響機制；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煙氣充填的數(shù)學模型；揭示低壓低氧燃燒與流動耦合作用下火災探測熱物理參量的變化機制，發(fā)展低壓低氧環(huán)境下火災信號識別方法。研究成果有望揭示壓力和絕對氧濃度同時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本質(zhì)，建立具有我國地理特性的高原低壓低氧特殊條件下的火災動力學演化理論，豐富世界火災科學研究范疇。

在我國關于低氧的調(diào)查研究還比較少，大多數(shù)關于低氧的報道集中在長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養(yǎng)化。其中珠江口的低氧程度比較強，最低溶氧范圍長時間維持在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、低氧對生物分子水平的影響低氧環(huán)境會改變生物部分基因的表達和( 或) 信使核糖核酸mRNA 的轉(zhuǎn)譯，這些改變會放大為一系列的生物化學和生理學的響應，使生物在低氧環(huán)境下得以繼續(xù)生存。

2、低氧對生物化學水平的影響

3、低氧對生物個體水平的影響 低氧會對生物的行為、生長、繁殖產(chǎn)生影響。

4、低氧對生態(tài)系統(tǒng)的影響 大型底棲生物群落會受到水體底層低氧的直接影響。低氧使常氧環(huán)境中的群落結構發(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。對于人體不適應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，所以人體適應的環(huán)境冷熱變化的范圍相當寬，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℃。