学习消防:为什么要学些火灾动力学?

企业   工业农业   2024-11-15 08:32   上海  

前不久,消防圈有一种论调为:“指挥员源于战斗员,亘古不变的道理”,言下之意,只有干过,才有发言权。这种思想似乎很普遍,听上去似乎很有道理。本来嘛,救人靠技能,技能靠实战,有实战经验的似乎比没有实战经验的强。然而,2015年8月12日的天津港大爆炸表明,救援除了依赖经验,还需要有必要的知识和战略的眼光。


说起军事指挥家,近代中国无人超过“曾胡左李”。曾国藩、胡林翼、左宗棠、李鸿章,这四人无一当过战斗员,但当时人都毫不怀疑他们的指挥能力。即使是解放战争期间,林彪和粟裕,都是黄埔军校出身,典型的学院派,也不是战斗员出身,丝毫不能妨害他们的指挥能力。今天,高层次的指挥员大多是学院派,美国的消防队长也要求有本科BS学位,所以指挥这个岗位,恰恰不是战斗员所能够胜任的,因为他需要理科知识(Fire Science)和工科素养(Fire Protection Engineering),才能够认识火场的复杂现象,才能发出更好的指令,取得更有效的战术效果。战斗员自救是自己的事,指挥员的命令可以不听(不能影响生命安全),因此指挥员是否干过战斗员,并不是很重要的一件事。


我们听到有些声音,火灾动力学对灭火工作没什么用。但其实这门知识博大精深,涉及很多方面,是非常有用的。


Drysdale教授阅读并引用了800篇文章,才写出了一本《火灾动力学》教材,无人不说有用。


(京东有售,见下图)



图:火灾动力学第三版

你说无用,就是对消防没有入门的标志。


其实,在理论的知识和应用的知识之间,存在沟通问题。不能很好地应用和传递知识,相当于没有知识。


美国消防队员需要学习火灾动力学知识,源于一项技术革命。

Nomex纤维,是一种特殊的阻燃材料,刚出现的时候,非常昂贵,只能用在高度风险的场合,如赛车手的特殊防护服。随着成本的下降,现代消防队员也开始普及Nomex纤维制成的防护服,并携带自己的自助呼吸器(SCBA)。这样组成的Nomex纤维罩(套装),把消防队员头部保护起来,针对热源和明火保护他们的脖子,耳朵,头皮。在Nomex发明之前的岁月,消防员的耳朵是暴露在热场当中。我们的耳朵皮肤薄,冷和热会迅速影响到他们。消防员通过自己的耳朵感知到,如果太热了(当你的耳朵开始感到刺痛,意味着火场的换热强度太高,这是轰燃现象到达的标志,现在是退出或面朝内后退出的时候了),就得逃生自救。由于Nomex纤维罩全部覆盖耳朵,让耳朵的感温功能对热量不敏感。


而且,多层的阻燃Nomex纤维集合层,可以用来防潮和供气,消防队员就像是在受保护的蚕茧里,虽然是一个脆弱的保护环境。另外,由于他们呼吸自己携带的空气,而不是高温有毒的烟雾,消防员肺部避免了过热气体的侵害,也降低了他们对火场态势的感知能力。这样,保护让消防队员的情境感知能力全面下降,他们唯一仍然可以依赖的只能是视觉线索。但是,哪里有火哪里就有烟(英国谚语),烟雾会降低能见度,降低你的视觉感知能力。这给消防队员的火场生存能力带来了很大的挑战。


这种保护内在有两点挑战消防员的火场生存。


首先,自助的空气供应量是有限的,并且因此消防员可以保持在室内火场的时间依赖于它们的空气供给量(大于15至50分钟左右)。


第二,消防队员的诺梅克斯在通过耳朵的敏感皮肤组织感测热量能力方面缺少安全裕量。很多时候,当潜在的受害者(消防员)感受到火场太热了,意味着轰燃太近了,已经来不及全身而退了。因此,虽然安全防护装备必要的,不幸的是还给消防员提供了安全性和不可战胜的错觉,事实上,消防队员的逃生本能被防护装备削弱了。为了弥补,消防队员必须接受关于火行为和火灾防治技术的培训,也就是说,消防队员必须从其他的线索中判断火场失控的趋势,才能在火场失控前全身而退。


另一方面,由于社会发展的整体趋势是火灾数量的减少,这样也会导致消防队员缺乏经验。所以,未来社会的发展趋势是,不懂火灾动力学(观察火场恶化线索的基础理论),就不能进火场。也就是说,未来的指挥者,未必从吃猪肉者中选拔,而是从看猪跑者中选拔,个人的经验不再那么重要,而理论的地位永远不断上升。


所以,“指挥员源于战斗员”,是一种充满中国特色的迷思。今天,说不清火场规模(fire power),看不懂可燃性图,不认识火场现象(斯蒂芬问题,烛芯、壕沟和吹炬效应),不懂火场管理与战术行动的差异的人还是大有所在,消防职业化,任重而道远。



小小的水枪,也有不少历史和学问。不懂火灾动力学,只会乱洒水,达不到高效灭火的效果。


(查看台湾云林县灾害抢救科长吴宏毅撰写的

消防救援:神奇的水雾点放技术)


附:Drysdale教授编撰的火灾动力学第二版目录


Table of Contents

  • Fire Science and Combustion.

  • Heat Transfer.

  • Limits of Flammability and Premixed Flames.

  • Diffusion Flames and Fire Plumes.

  • Steady Burning of Liquids and Solids.

  • Ignition: The Initiation of Flaming Combustion.

  • Spread of Flame.

  • Spontaneous Ignition within Solids and Smouldering Combustion.

  • The Pre-flashover Compartment Fire.

  • The Post-flashover Compartment Fire.

  • The Production and Movement of Smoke.

  • References.

  • Answers to Problems.

  • Indexes.


附:国内对火灾动力学解释:


动力学Dynamics是物理学中力学的分支,研究物体运动的各物理因素如力、质量、动量和能量之间的关系。


火灾动力学Fire Dynamics是研究火灾的发生、发展这一具有运动特征的过程中各物理、化学因素之间关系的科学。


火灾动力学的多学科交叉性

数理学科:微分方程定性理论和数值方法、概率与统计、非线性动力学、流体力学、固体力学、爆炸力学、燃烧学等;


化学学科:化学动力学和热化学等:

生命科学:生物质的热解与燃烧、生物体受热一烟一毒的损伤、心理学等;

工程技术学科:安全工程、工程热物理、材料科学、信息科技、资源优化配置与调度等。

火灾动力学的主要研究内容

火灾的发展过程及其影响因素:

· 火灾的基本现象

· 出现的条件

· 主要的控制参数

· 各分过程之间的相互作用

火灾动力学的研究方法

实验模拟:通过部分或完整地合理再现和演化火灾现象过程,测定火灾典型可燃物性能和火灾典型参数,揭示火灾具体过程的机理和规律,为理论研究提供实验数据和经验公式。根据研究要求,可进行小尺寸、中等尺寸和全尺寸的实验模拟。


数值模拟:对基本方程、理论模型、数值方法和计算机程序等方面进行研究。根据物理和化学的基本定律以及…些合理的假设,构造描述火灾现象和过程的数学模型,通过数值计算的方法定量算出火灾发生及发展过程。主要分为专家系统、半经验半理论模拟和场模拟。



火灾动力学的研究思路

本课程主要学习内容

· 火灾中的热传递

· 火灾发生与蔓延的一般理论

· 火源数学模型及其实验测试方法

· 室内火灾的发展过程

· 烟气产物和毒性

· 烟气流动及控制方法

· 火灾的数值模拟方法


注:36safety对于文章所代表的立场以及专业性不负任何责任。


附:



今天听说四川凉山木里县雅砻江镇立尔村发生的森林火灾,火场有多人伤亡(目前找到30位牺牲者),这让我在感到震惊之余,想到两个问题。第一,森林火灾到底该不该救?第二,什么样的人才能进入火场救火?所有的火场损失,都与这两个核心问题有关,可惜我们关注的人太少。


首先说一说该不该救的问题,这还用问吗?有必要。森林火灾是森林生态系统的一部分,这是美国长时间对付野火的深刻认识。

由于森林生态系统的复杂性,人们不可能把所有的燃料都加以利用,这些难以管束的燃料,迟早都会点燃,迟早都会烧掉,往往会造成一定的损失。对此,预防性的办法是所谓的计划烧除。

可是由于计划烧除的难度高,实现起来缺乏经验,往往造成重大的经济损失。国内在几次失败的计划烧除尝试之后,几乎放弃了有计划的野火管制行为,这就是当前火灾规模越来越大,火场损失越来越严重的政策背景(另一个原因是气候变化的因素,对此研究的人更少)。

如果你不懂计划烧除的目的,说明你还不懂野火的生态,也就不适合对野火问题发表意见。

这是我们在每一次严重火场损失发生之后,都不愿意探究的本质性问题。这把火值得救吗?很多时候不值得救。可是为什么要救呢?因为社会文化和问责观念不得已而为之。

为什么要问责?因为不懂野火的生态理论。所有的火场损失,或多或少与此有关。最近,应急管理部的成立,也强化了每场火灾必须救的观念,结果就是越来越大的火场损失。本来成立应急管理部是为了减少损失,可是为什么增加了损失?因为救灾的以人为本观念没有与时俱进。


回答第二个问题,什么样的人才能进火场灭火?

一个简单的回答是,一位懂得火灾动力学原理的人才能指挥火场战斗,一位懂得火行为学规律的人才能够在火场自保。问题是,我国的教材偏重燃烧学内容(如武警学院的教材),对火灾本身的认识不足。如果我们的国家正规军都不能够掌握火灾动力学原理,怎么能够作出火场指挥的决定?大部分从事灭火行动的人员都不懂火灾行为学,进火场无法自保,这是火场伤亡的重要原因。其实,《火灾动力学》和《火行为学》并不复杂,这里我想说一说,《火灾动力学》与《火行为学》之间内容的差异性。


自从1986年道格·庄斯戴尔(DougalDrysdale)出版消防领域的第一本教材基础以来,《火灾动力学导论》受到越来越大的重视,尤其是1994年发生的威灵汉姆纵火案被判定为冤案之后(2009年),火场调查和消防指挥领域都在反思,我们需要提供什么样的教育内容,才能完成火场调查的职责?


根据《韦伯斯特大辞典》(Merriam-WebsterDictionary),Dynamics的狭义定义是物理学的分支,处理力的相互作用产生的运动,广义的定义是“变化、成长或活动的模式或过程”。所以,火灾动力学强调火灾的发生、发展、灭火和影响的全过程。

正因为对力学过程(包括传热)的关注,所以火灾动力学强调对过程的深入分析,为此需要微积分的知识,通过对过程建立控制体,推导控制方程,提出假设,求解方程,然后得到比较复杂的公式,这是《火灾动力学》教材的一般思路。


按照这个标准,符合火灾动力学定义的基础教材只有两本,一本是DougalDrysdale写的《火灾动力学导论》,一本是JamesQuintiere写的《火现象的基础》,前者重综述,后者重推导。


当然,也有人不照这个套路来写,如GregoryE.Gorbett的教材《FireDynamics》,主要是针对火场调查人员的教材,并没有达到火灾动力学的标准,对此本领域内的读者心知肚明,可以说是挂羊头卖狗肉的出版行为。


《火灾动力学》教材基本是建立在能量守恒原理的基础之上,对各种火场现象提出了可以重复的量化规律,因此工程学是量化的科学(Engineeringisaquantifiablescience),火灾动力学就是消防工程的核心和基础。


由于我国注册消防工程师考试的内容几乎完全不涉及火灾动力学内容,说明我国消防工程师的整体水平是非常不足的,达不到工程师的标准,顶多不过是技术员的水平,他们无力对国家标准作出在科学意义上的反思和修改。


由于我也在编写教材,曾经用过DougalDrysdale和JamesQuintiere的教材,所以我把上述这两人的教材总结为如下的内容体系,即将由中国矿大出版社出版。整个理论框架可分成5个模块,值得48或64学时的消防工程大学本科教育。此外,每一模块都值得写成专著,成为研究生的教材。


图1.《火灾动力学》覆盖的知识体系框架。


相比之下,消防队员根本不在乎对火灾的全面、完整的认识,他们关心什么?火场灭火的效率和生存。在这方面,已经有JamesQuintiere的《火行为原理》,DavidJ.Icove买下来的《科克火场调查》,RaymondFriedman的《火灾的理化基础》,RichardGann的《火行为与燃烧》。上述教材的写作非常不容易,因为高手向低手讲课,要深入考虑读者的水平和自身的理论,存在很大的知识体系的差距,认知水平的差距,因此需要辅以大量的阅读和优美的文笔。好在美国是职业消防与志愿消防并重的国家,从业者对火灾科学有着发自内心的的兴趣和热情,因此这些学术界的牛人愿意从事科普工作,把高深的理论化解为大众可以理解的读物,实在是美国消防与应急从业者的福气。


2004年,美国消防队伍开始关注火场伤亡问题,他们觉得火灾动力学太深奥了,那些偏微分方程对消防队员而言是高山,也是鸡肋,所以提出了《火行为学》的知识体系,或者用《火行为与燃烧》来概括消防队员对火场的认识,据此提出了《消防与应急队伍的高等教育计划》(FESHE计划),很多教材都是根据这个计划展开。在美国FESHE计划的基础上,我把《火灾动力学》的内容精简了一下,按照火场的特殊性,分成如下5个部分。在火场的生死没有偶然,如果有意外现象发生,一定是发生了某种特殊的情况,满足了某些条件,因此让人感到意外。


幸运的是,这些意外现象都经过了专业的研究,比如我就研究过卷吸现象、烛芯效应、阻燃现象、防火和防爆理论等,因此对现象背后的理论比较熟悉,可以从各种历史经验教训中总结出共性的东西。这是我准备写作《火行为学》的出发点和依据。



图2.《火行为学》覆盖的内容体系与框架


《火行为学》写作的难点在于,读者的理论水平不高,缺乏足够的数学基础,难以看懂表达简洁的公式,更不用说那些复杂的公式推导过程。而且他们的兴趣复杂,专业多样,你必须针对他们的兴趣而组织材料,这是主要的难点。


然而,随着我国专业化的推进和职业化的展开,存在大量的经过基本培训但缺乏深入认识的读者群体,因此还是有市场的,我正在为此努力开发这部分读者市场。“勿以恶小而为之,勿以善小而不为”,值得为教育水平不足的消防队员单独开发教程吗?


我也不是刻意为之,既然有了《火灾动力学》教程,那些非理论的、经验性的、非系统开发的知识和经验,那些零零散散的消防文化、历史经验、各国教训和应急传统,就是《火行为学》的主要内容。


注:36safety对于文章所代表的立场以及专业性不负任何责任。



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