Столкновение лесного пожара с водным барьером

Размещено на http://allbest.ru

Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е. Алексеева

Столкновение лесного пожара с водным барьером

Масленников Дмитрий Александрович

к.ф.-м.н., доцент Экономическая теория и эконометрика, ИНЭУ

Лощилова Наталья Алексеевна

ассистент Прикладная математика, ИРИТ

Лощилов Александр Андреевич

аспирант Экономическая теория и эконометрика, ИНЭУ.

Нижний Новгород, Россия

Зачастую для тушения лесных пожаров используется вода ввиду ее легкодоступности. Когда вода подается в зону возгорания, имеют место процессы парообразования и поглощения тепловой энергии за счет активного кипения. Эти процессы возникают при температуре, превышающей температуру кипения, причем температуру воды можно принять константой, а вся энергия тратится на кипение. Поэтому невозможно определить массовую скорость расходования воды как функцию от температуры воды, аналогично остальным физико-химическим процессам [2].

Положим, свободная вода может поступать за счет тушения и тратиться за счет кипения:

В отличие от классической модели тушения лесных пожаров [1, 2, 3, 5, 7, 8], приведем модель, учитывающую процессы, связанные с парообразованием свободной водой [4, 6].

При отсутствии процесса порообразования определяет скорость изменения температуры.

Стоит отметить, что вышеописанная модель исключает рост концентрации или температуры скачкообразным образом, ибо в этом случае R₄ представлялась бы дельта-функцией.

Объемная доля воды в барьере определяется соотношением:

На основе вышеописанной модели проведена серия численных экспериментов по изучению взаимодействия пожара и водяного барьера, выявлены критические значения, при которых происходит тушение (рис. 1-2). Высота леса составляла 4 м, а его плотность 2 кг/м³. Цветовая шкала демонстрирует изменение температуры, сплошной областью представлен водный барьер, стрелками обозначено поле скоростей.

Рис. 1 - Динамика лесного пожара в одноярусном лесе при распространении через водную преграду по рельефу различной конфигурации.

Рисунок 1 показывает динамику тушения лесного пожара в случае одноярусного леса. Различная плотность водяного барьера обусловлена разными критическими значениями, необходимыми для тушения пожара. Как видно из результатов расчётов, при распространении пожара по равнине (левый столбец рисунка 1), фронт пожара набирает температуру после прохождения барьера, но нижний слой уже не участвует в процессе. На момент времени 7.6 сек можно видеть, что барьер почти не затронут. При 8 секундах температура в зоне горения существенно снизилась, а барьер частично выкипел. После того как барьер прекратил своё существование, температура фронта пожара несколько повысилась к моменту 8.4 с. Барьер до своего выкипания препятствовал прогреву впереди находящихся лесных горючих материалов, поэтому влага, находившаяся в них, не испарялась до выкипания барьера. Именно этот фактор обусловил в дальнейшем (момент времени 8.8 с) прекращение пожара.

Во втором столбце рис. 1 продемонстрирована динамика распространения лесного пожара на холмистой местности. Неровность рельефа увеличивает скорость распространения пожара, в результате чего фронт горения достигает водного барьера раньше, чем в случае однородной местности. Следует отметить наличие изгиба области высоких температур на момент времени 7,2 с.

Этот фактор способствует увеличению времени воздействия на водный барьер. К моменту времени 7,6 с, энергия верхней части фронта пожара была истрачена на выкипание водного барьера. В дальнейшем (к моменту 8 с), нижняя часть фронта пожара достигает водного барьера, её энергия расходуется на его выкипание.

Результатом развития описанных выше процессов является полное выкипание водяного барьера и прекращение распространения пожара. Однако для достижения такого результата потребовался водный барьер с большим количество воды, чем в случае распространения пожара по однородной местности.

На рис. 2 продемонстрирована динамика при распространении пожара в двухъярусном лесе по равнине и местности с холмом соответственно. Водный барьер имеет ширину 40 см, плотность 20 кг/м³ и высоту 4 м, что соответствует общей высоте слоя леса.

Рис. 2 - Динамика лесного пожара в двухъярусном лесе при распространении через водную преграду по рельефу различной конфигурации.

Кажущаяся плотность лесных горючих материалов составляет 8 кг/м³ в нижнем ярусе, имеющем высоту 40 см и 2 кг/м³ в верхнем ярусе, занимающем остальную часть.

На начальном этапе развития пожара (до 6 с) фронт пожара ещё не достиг неоднородности рельефа, поэтому наличие холма не оказывает существенного влияния на динамику пожара. К моменту времени 10 с фронт пожара растягивается в обоих случаях, а нагретые потоки газа проходят над барьером, практически не влияя на него. При распространении пожара по наветренному склону скорость передней части фронта увеличивается. На момент времени 14 с пожар достигает водного барьера, что приводит к расходу энергии передней части фронта пожара на выкипание воды в барьере. В случае распространения пожара по плато холма, фронт пожара сильнее растянут. Тем не менее, в обоих случаях барьер находится под воздействием нагретой газовой фазы, что приводит к выкипанию его средней и верхней частей.

Вследствие совместного действия конвективных эффектов и внешнего поля скоростей, вне зависимости от рельефа, нижняя часть водного барьера слабо выкипает, и это приводит к прекращению горения нижнего яруса леса.

На момент 22 с продемонстрированы потоки нагретого газа при выкипании водного барьера. На этот момент зона активного горения находится позади барьера на расстоянии около 2-4 метров, что даёт достаточно времени для его преодоления. Дальнейшая динамика пожара наглядно демонстрирует, что фронт пожара восстанавливается после преодоления барьера и подветренного склона (в случае неоднородного рельефа). тушение лесной пожар горение

Результаты численных экспериментов показали, что при неоднородности лесных горючих материалов тушение с помощью водяного барьера неэффективно, так как водная преграда выкипает из-за воздействующих на нее конвективных потоков от очага горения в нижней части слоя лесных горючих материалов. В случае одноярусного леса данный эффект отсутствует и тушение эффективно.

Список литературы

1. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А.М. Гришин Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992. - 405 с.

2. Катаева, Л.Ю. Анализ динамических процессов аварийных ситуаций природного и техногенного характера: дис. … докт. физ.-мат. наук. Нижний Новгород, 2009.

3. Катаева Л.Ю., Масленников Д.А., Белоцерковская И.Е. Численное моделирование динамики пожара с учетом рельефа местности и внешнего поля скоростей: Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т. 21. № 12. С. 49-58.

4. Катаева Л.Ю. О влиянии водного барьера на динамику развития лесного пожара в зависимости от рельефа местности / Л.Ю. Катаева, А.Д. Постнов, С.А. Лощилов, Д.А. Масленников // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23. № 1. С. 30-37.

5. Катаева, Л.Ю. Постановка и проведение вычислительного эксперимента по исследованию аэро- и гидродинамических процессов в аварийных ситуациях природного и техногенного характера: монография - Москва, РГОТУПС, 2007. 218 с.

6. Лощилов С.А., Маслеников Д.А., Постнов А.Д., Катаева Л.Ю. Исследование влияния интенсивности сброса воды на динамику лесного пожара // Естественные и технические науки. 2013. № 6 (68). С. 37-40.

7. Масленников, Д. А. и др. Особенности численного моделирования распространения суммарного теплового потока при лесных пожарах под ред. Л.Ю. Катаевой - Нижний Новгород: Стимул-СТ, 2013. - 110 с.

8. Grishin A.M. Problem of drying of a layer of combustible forest materials / A.M. Grishin, A.N. Golovanov, L.Yu. Kataeva, E.L. Loboda // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2001. Vol. 37. № 1. P. 57-66.

Аннотация

Столкновение лесного пожара с водным барьером. Масленников Дмитрий Александрович, к.ф.-м.н., доцент Экономическая теория и эконометрика, ИНЭУ; Лощилова Наталья Алексеевна, ассистент Прикладная математика, ИРИТ. Лощилов Александр Андреевич, аспирант Экономическая теория и эконометрика, ИНЭУ.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева г. Нижний Новгород, Россия

Работа посвящена исследованию вопроса о моделировании процесса тушения лесного пожара. Представлена физико-математическая постановка задачи взаимодействия лесного пожара с водяным барьером. Сделаны выводы об эффективности тушения пожара с помощью водного барьера в зависимости от структуры растительности.

Ключевые слова: лесной пожар, тушение, свободная вода, водный барьер, моделирование

Размещено на Allbest.ru