Лесные пожары

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Леса играют огромную роль в экономике России как источники древесины и многих видов сырья - растительного (смолы, грибы, ягоды, лекарственные растения) и животного (мясо, меха, ценные лекарственные препараты - панты, бобровая и кабарожья струя, медвежья желчь и т.п.). В жизни многих народов России лес - основная жизненная среда, на которой базируется весь уклад (финно-угорские народы, эвенки и др.). В отличие от большинства западных народов, любительский сбор грибов, ягод, лекарственных растений и охота - не только экономическое подспорье, но и совершенно необходимая часть жизненного уклада. В пейзажах русской живописи и литературы, как профессиональной, так и фольклорной, леса абсолютно преобладают над другими ландшафтами [1].

В России самые большие запасы лесов в мире и площадь наших лесов составляет более 800 000 га. Лес занимает около 45% территории нашей страны и составляет около 24% запасов всей планеты. Но эти цифры не должны ни кого вводить в заблуждение и считать, что запасы леса у нас почти безграничны, по меньшей мере, не разумно.

Леса играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании планетарного климата Земли. Общий баланс для лесов России, рассчитанный Б.Н.Моисеевым составил для углекислого газа 1789064.8 тыс. тонн, а для кислорода - 1299019.9 тыс. тонн. Ежегодно в лесах России депонируется 600 млн. тонн углерода. Эти гигантские объемы миграции газов существенно стабилизируют газовый состав и климат планеты.[2]

Основные запасы лесов России концентрируются в Сибири и на Дальнем Востоке, а также на Европейском севере. Максимальные проценты лесопокрытой площади отмечаются в Иркутской области и Приморском крае, несколько ниже они на юге Хабаровского края, юге Якутии, в приенисейской части Красноярского края и в республике Коми, Вологодской Костромской и Пермской областях. Однако лесистость совпадает с высокими запасами древесины лишь в Приморском крае и, в меньшей степени, на юге Красноярского края. В других регионах, где произрастают наиболее продуктивные леса (на Кавказе, Алтае, Европейском центре) лесистость заметно снижена, причем в значительной степени благодаря деятельности человека.

В результате лесных пожаров ежегодно в Российской Федерации гибнет около 1 млн. га леса.

Возникновение и распространение лесных пожаров зависят от различных условий (климатических: скорости ветра, температуры окружающей среды, состояния атмосферы и т.д.) рельефа местности и других факторов. лес противопожарный математический влагосодержание

Наиболее опасным видом пожаров являются верховые. На их долю приходится до 70% выгоревшей площади. Верховой пожар распространяется по кронам деревьев. При этом чаще всего горит весь древостой. Возникновение и развитие верховых пожаров происходит, в основном, от низовых в древостоях с низкоопущенными кронами, в разновозрастных хвойных, в многоярусных и с обильным подростом насаждениях, а также в горных лесах. Скорость верховых пожаров: устойчивого 300…1500м/ч, беглого-4000...5000 м/ч.[5]

Следует отметить, что до сих пор не выяснены до конца механизмы и условия возникновения различных видов лесных пожаров. Тушение лесных пожаров требует больших затрат сил и средств, и, в подавляющем большинстве случаев, малоэффективно или невозможно. Экспериментальные методы изучения лесных пожаров являются дорогостоящими и не позволяют проводить полное физической моделирование данного явления, представляют интерес теоретические методы исследования. [3]

Поэтому изучение данного явления с помощью метода математического моделирования помогает разработать профилактические меры по предотвращению и определению возможности возникновения лесных пожаров, ведь математическая модель -- это приближенное описание объекта моделирования, выраженное с помощью математической символики.

Цели математического моделирования:

· модель нужна для того, чтобы понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание);

· модель нужна для того, чтобы научиться управлять объектом (или процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);

· модель нужна для того, чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).

Как показали исследования, метод математического моделирования позволяет адекватно описывать состояние лесного биогеоценоза и приземного слоя атмосферы при лесных пожарах.[4]

Цель работы:

Исследовать влияние влагосодержания лесных горючих материалов и скорости ветра на ширину противопожарного разрыва для верховых лесных пожаров.

Задачи:

1) Показать, что понятия, методы и модели механики реагирующих многофазных сред могут быть успешно использованы для прогнозирования возникновения и распространения лесных пожаров;

2) Изучить программу математического моделирования лесных пожаров;

3) С помощью программы построить графики распространения лесных пожаров и на основе их сделать выводы.

Задание

Исследовать зависимость размеров противопожарного разрыва от скорости ветра и влагосодержания лесных горючих материалов (ЛГМ), то есть задавая скорость ветра (от 3 до 10 м/с) произвести расчеты для различных влагосодержаний ЛГМ (0.2, 0.4, 0.6 кг/м³). Определить минимальные размеры разрыва, когда пожар не преодолевает его. Нарисовать график для данных зависимостей. Разрыв конечен по оси x2. Нарисовать с помощью MATLAB распределения линий равного уровня (изолиний) температуры, концентраций кислорода и летучих горючих продуктов пиролиза для распределений функций при подходе к разрыву, переходе через него и дальнейшем распространении. А также случай, когда пожар подходит к разрыву, но не переходит через него. Задание должно содержать физическую постановку задачи, математическую постановку, метод решения, результаты и выводы.

1. Постановка задачи

В данной работе приводятся результаты расчетов возникновения и распространения верхового лесного пожара по осредненной по высоте полога леса в двухмерной постановке, полученной на основе общей математической модели пожаров [1-3]. Пусть начало системы координат x₁, x₂ , x₃=0 связано с центром источника возникновения лесного пожара, ось 0x₃ направлена вверх, а оси 0x₁ и 0x₂ - параллельно поверхности земли (ось x₁ совпадает с направлением ветра) (рис.1).

В связи с тем, что горизонтальные размеры лесного массива много больше вертикального размера, общая трехмерная система дифференциальных уравнений, описывающая процессы тепломассопереноса в лесном массиве [1,3], может быть проинтегрирована по вертикальной координате x₃. Осреднение исходных характеристик по высоте полога леса h произведено с целью упрощения математической постановки задачи. Приводя основную систему уравнений, по аналогии с [2], к дивергентному виду [2], проинтегрируем, ее по высоте от напочвенного покрова до уровня верхней границы полога леса. Считается, что: 1) течение носит развитый турбулентный характер и молекулярным переносом пренебрегаем по сравнению с турбулентным, 2) плотность газовой фазы не зависит от давления из-за малости скорости течения по сравнению со скоростью звука, 3) среда находится в локально-термодинамическом равновесии, 4) известна скорость ветра над напочвенным покровом в невозмущенных условиях, 5) газодисперсная смесь бинарна и состоит из частиц конденсированной фазы, а также газовой фазы - компонентов кислорода, газообразных горючих и инертных компонентов, 6) характерные размеры лесного массива в горизонтальном направлении превышают высоту полога леса.

Рис.1. Схема расчётной области.

Данная выше задача сводится к решению следующей системы дифференциальных уравнений:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Для определения скоростей, реакций пиролиза, испарения влаги, горения кокса, и летучих продуктов пиролиза используются формулы [1].

Значение температуры в очаге зажигания задается в зависимости от времени внутри расчетной области (Рис.1.). В представленной выше системе уравнений, начальных и граничных условиях используются следующие обозначения: R₁ -R₅ , R₅ - массовые скорости пиролиза лесных горючих материалов, испарения влаги, горения конденсированных и летучих продуктов пиролиза, образования сажи и пепла и образования - компонентов газодисперсной фазы; t₀ - время формирования очага горения, c_pi, _i , _i - удельные теплоемкости, истинные плотности и объемные доли i - ой фазы(1 - сухое органическое вещество, 2-вода в жидко - капельном состоянии, 3 - конденсированные продукты пиролиза, 4 - минеральная часть, 5 - газовая фаза); Т, Т_s - температура газовой и конденсированной фаз; c - массовые концентрации (=1 - кислород, 2 - горючие продукты пиролиза, 3 - сажа, 4 - пепел, 5 - инертные компоненты воздуха); p - давление; U_R - плотность энергии излучения; -постоянная Стефана-Больцмана; k - коэффициент ослабления излучения; k_g, k_s - коэффициенты поглощения для газодисперсной и конденсированной фаз; _V-коэффициент обмена фаз, q_i, Е_i, k_i - тепловые эффекты, энергии активации и предэкспоненты реакций пиролиза, испарения, горения кокса и летучих продуктов пиролиза; s_у - удельная поверхность элемента лесных горючих материалов; М , М_c , М - молекулярные веса индивидуальных компонентов газовой фазы, углерода и воздушной смеси; s, c_d - удельная поверхность фитомассы и эмпирический коэффициент сопротивления полога леса; с - скорость света; v_i - проекции скорости на оси x_i; _с, - коксовое число и массовая доля горючих газов в массе летучих продуктов пиролиза; -массовая скорость образования газодисперсной фазы; v_3* - характерная скорость вдува из очага лесного пожара; ₄, ₆ - эмпирические константы; g - ускорение свободного падения; - переменные, полученные при осреднении характеристик по высоте полога леса. Индексы "0" и "e" относятся к значениям функций в очаге горения и на большом расстоянии от зоны пожара соответственно. Верхний индекс " ґ " относится к пульсационной составляющей данной величины. Термодинамические, теплофизические и структурные характеристики соответствуют лесным горючим материалам соснового леса и приведены в [1].

2. Метод решения

В работе приводятся результаты математического моделирования распространения верхового лесного пожара.

Для численного интегрирования исходной системы уравнений используется метод контрольного объёма.

Рис.2. Контрольный объём (заштрихованная область) для двухмерного случая [6].

Расчётную область разбиваем на некоторое число не пересекающихся контрольных объёмов. Затем исходную систему уравнений интегрируем по каждому контрольному объёму.

Система уравнений (1)-(7) редуцирована к дискретной форме с помощью метода контрольного объема [4]. Сеточные уравнения, возникающие в процессе дискретизации, разрешались с помощью метода SIP [5]. Алгоритм решения приведенной задачи включает в себя расщепление по физическим процессам, то есть вначале рассчитывалась гидродинамическая картина, а затем решались уравнения химической кинетики и учитывались химические источники для скалярных функций. При этом шаг по времени для интегрирования системы обыкновенных уравнений выбирался автоматически. Согласование полей скорости и давления осуществлялось в рамках алгоритма SIMPLE [4].

3. Результаты численных расчетов

На основе изложенной математической модели проводились численные расчеты по определению картины процесса возникновения верхового лесного пожара в результате зажигания полога леса от заданного очага горения. В результате численного интегрирования получены поля массовых концентраций компонент газовой фазы, температур, объемных долей компонентов твердой фазы. Получены значения ширины минимальных разрывов между участками леса, которые зависят от скорости ветра и запаса ЛГМ. Пожар не преодолевает этот разрыв.

По полученным результатам составлены таблицы зависимости ширины минимального разрыва между участками леса от скорости ветра и запаса ЛГМ. Затем строим графики по данным таблиц. Для получения величин минимальной ширины разрыва мы изменяли параметры в программе break, а для визуализации полученных результатов и построения графиков используем программу MATLAB [7].

Таблица 1. Влагосодержание ЛГМ 0,2 кг/м³

Таблица 2. Влагосодержание ЛГМ 0,4 кг/м³

Таблица 3. Влагосодержание ЛГМ 0,6 кг/м³

Используя программу break, определяем минимальную ширину разрыва, зависящую от скорости ветра и запасов ЛГМ, при которой пожар не распространяется через границу разрыва. Сохраняем результаты на компьютер, а далее используем для визуализации программу MATLAB.

Рис. 3. Рабочее окно программы MATLAB.

1 - W = 0,2

2 - W = 0,4

3 - W = 0,6

Рис. 4. Зависимость минимальной ширины разрыва от скорости ветра и запасов ЛГМ.

По графику видно, что при увеличении скорости ветра необходимо увеличивать ширину разрыва, а меньшему влагосодержанию соответствует большая ширина разрыва.

С помощью MATLAB строим распределения линий равного уровня (изолиний) температуры, концентраций кислорода и летучих горючих продуктов пиролиза для распределений функций при подходе к разрыву, переходе через него и дальнейшем распространении. А также случай, когда пожар подходит к разрыву, но не переходит через него.

Ниже приведены графики распределения линий равного уровня (изолиний) температуры, концентраций кислорода и летучих горючих продуктов пиролиза для распределений функций при подходе к разрыву, переходе через него и дальнейшем распространении. А также случай, когда пожар подходит к разрыву, но не переходит через него.

Распределение изолиний температуры , концентрации кислорода , летучих горючих продуктов пиролиза при подходе пожара к разрыву, переходе через него и дальнейшем распространении.

Рис.5. Схема распространения пожара через разрыв.

При скорости ветра 7м/с и ширине разрыва 6м пожар проходит через разрыв, переходит его и распространяется дальше. Работая в программе break, выполняем эту часть в несколько этапов. Сначала допускаем подход пожара к отметке 29,4 м и сохраняем результаты, дальше допускаем подход пожара до отметки в 44 м и сохраняем результаты и последний результат получаем при подходе пожара к отметке в 60,6 м. Далее используем для визуализации программу MATLAB.

Рис.6. Распределения линий равного уровня (изолиний) температуры, концентраций кислорода и летучих горючих продуктов пиролиза

Изотермы газовой фазы :

1- 1.5; 2 - 2; 3 - 2.6; 4 - 3; 5 - 3.5; 6 - 4.

Изолинии концентрации кислорода ():

1 - 0.1; 2 - 0.5; 3 - 0.6; 4 - 0.7; 5 - 0.8; 6 - 0.9.

Изолинии концентрации продуктов пиролиза ():

1 - 0.01; 2- 0.05; 3 - 0.1.

Из графиков видно, что в результате нагрева ЛГМ выделяются летучие продукты пиролиза, которые в дальнейшем могут воспламеняться, повышать температуру горения, и, следовательно, способствовать увеличению интенсивности распространения пожара.

Распределение изолиний температуры , концентрации кислорода , летучих горючих продуктов пиролиза при подходе пожара к разрыву, но не переходе через него.

Рис.7. Схема, когда пожар подходит к разрыву, но не переходит через него.

Рис.8. Распределения линий равного уровня (изолиний) температуры, концентраций кислорода и летучих горючих продуктов пиролиза.

При скорости ветра 5м/с и ширине разрыва 6м пожар подходит к разрыву, но не переходит через него. Работая в программе break, выполняем эту часть также в несколько этапов. Сначала допускаем подход пожара к отметке 29,4 м и сохраняем результаты, дальше допускаем подход пожара до отметки в 44 м и сохраняем результаты и последний результат получаем при прохождении пожара отметки 48м. Далее используем для визуализации программу MATLAB.

Изотермы газовой фазы :

1- 1.5; 2 - 2; 3 - 2.6; 4 - 3; 5 - 3.5; 6 - 4.

Изолинии концентрации кислорода ():

1 - 0.1; 2 - 0.5; 3 - 0.6; 4 - 0.7; 5 - 0.8; 6 - 0.9.

Изолинии концентрации продуктов пиролиза ():

1 - 0.01; 2- 0.05; 3 - 0.1.

Вывод

В ходе данной курсовой работы удалось исследовать влияние запаса лесных горючих материалов и скорости ветра на ширину противопожарного разрыва для верховых лесных пожаров. Кроме того, были решены следующие задачи:

· Понятия, методы и модели механики реагирующих многофазных сред могут быть успешно использованы для прогнозирования возникновения и распространения лесных пожаров;

· Изучена программу математического моделирования лесных пожаров;

· С помощью программы MATLAB были построены графики распространения лесных пожаров и на основе их были сделаны соответствующие выводы.

При выполнении расчетов в данной работе изучалось влияние определенных факторов на процесс распространения верхового лесного пожара. Полученные результаты позволяют получить критические условия распространения верхового лесного пожара при заданных размерах разрыва, то есть зависимость скорости распространения от скорости ветра и запаса ЛГМ (лесных горючих материалов), что, в свою очередь, дает возможность применять такой метод расчетов для профилактики и разработки новых методик тушения лесных пожаров и предотвращения пожаров.

Когда происходит уменьшение запаса лесных горючих материалов, растет скорость распространения верхового лесного пожара. И соответственно, скорость распространения ВЛП увеличивается, если увеличивается скорость ветра.

Каждый пожарный должен знать и понимать основные особенности возникновения, распространения и поведения лесных пожаров в зависимости от рельефно-ландшафтных, растительных, погодных и других условий. Это необходимо для принятия решения о наиболее целесообразной организации тушения, профилактических мерах и безопасности пожарных и других лиц, принимающих участие в тушении пожара.

Список литературы

1. Гришин А.М. Математические модели лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. - Новосибирск: Наука, 1992, 408 с.

2. Гришин A.M.. Грузин А.Д., Зверев В.Г. Математическая теория верховых лесных пожаров // Теплофизика лесных пожаров. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР. 1984. - С.38-75.

3. Perminov V. Numerical Solution of Reynolds equations for Forest Fire Spread // Lecture Notes in Computer Science. - 2002. -V.2329. -P.823-832.

4. Патанкар С.В. Численные метода решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

5. Щетинский Е.А. Тушение лесных пожаров: Пособие для лесных пожарных. Изд.3-е, перераб. и доп. - М.:ВНИИЛМ, 2002. 104 с.

6. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1984. 124 с.

7. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7.-СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-1104с.: ил.

Размещено на Allbest.ru