,
НГТУ им.
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛЕСНОГО ПОЖАРА С УЧЕТОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ФАКЕЛА ПЛАМЕНИ.
В настоящее время лесные пожары случаются значительно чаще и становятся более масштабными. Причиной этому может служить как изменяющийся климат, так и технологический процесс. Из всех типов лесных пожаров наиболее опасными считаются верховые и лесные торфяные пожары, так как они наносят наибольший урон окружающей среде и лесному хозяйству. Для стран, обладающих небольшими запасами лесных насаждений (некоторые страны Европы и др.) вред от пожара особенно ощутим. Несмотря на то, что в России площадь лесных насаждений составляет 1254 млн. га, и запасы древесины составляют четверть общемировых, проблема лесных пожаров стоит не менее остро. Поэтому задача исследования поведения пожаров при различных условиях актуальна и важна для практических целей.
Другой важнейшей предпосылкой для создания работы служит тот факт, что к настоящему времени не существует завершенной математической модели возникновения и распространения лесных пожаров.
Цели, стоящие у истоков работы, – это исследование условий, при которых происходит распространение пожара, и выводы о влиянии параметров слоя лесных горючих материалов, окружающей среды и прочих факторов на динамику горения.
Основные задачи, которые ставили перед собой авторы работы – это построение математической и компьютерной моделей низового пожара, а также подбор параметров противопожарных сооружений (таких, например, как ширина защитных просек и высоты насыпей), необходимых для предотвращения распространения пламени.
В данной работе рассматривается проблема математического моделирования низовых пожаров, когда в качестве лесных горючих материалов выступает наземный слой опада – листья и хвоя. Задача о распространении низового пожара рассматривается в рамках сопряженной постановки, включающей в себя систему уравнений тепло - и массопереноса для пограничного слоя атмосферы (в частности, приземных воздушных масс, где определяющими параметрами являются влажность воздуха и скорость ветра), а также сам слой опада, рассматриваемый как сплошная среда, однородная вдоль координаты z (высота), и неоднородная в плоскости xOy. Таким образом, решается двумерная задача динамики лесного пожара. Проблема неоднородности решается введением понятия «контрольный объем» (используется методика Патанкара [15]), то есть исходная территория приземного лесного слоя разбивается на равномерную сетку вдоль двух осей координат.
За основу работы взята модель (работы [4], [10], [12], [14]). В результате моделирования исследовалось влияние характеристик полога леса на параметры распространения верхового пожара с учетом двухтемпературности среды и излучения от факела пламени. Полученные уравнения имеют вид уравнений параболического типа.
Ключевым понятием, от которого строилась логика данной работы, является физико-химическая модель пожара. Пожар представляет собой явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве, на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ.
Под пиролизом ЛГМ понимается расщепление при высокой температуре сложных органических соединений, из которых состоят ЛГМ, на более простые.
В качестве более простых веществ получаются: конденсированный продукт – коксик, состоящий из почти чистого углерода (С), и газообразные продукты (горючие и негорючие): метан (СН4), водород (Н2), угарный газ (СО), водяные пары (Н2О).
В зоне лесного пожара имеет место пористо-дисперсная среда, состоящая из сухого органического вещества, воды в жидко-капельном состоянии, конденсированного продукта пиролиза, конденсированного продукта горения, состоящего из частиц сажи и золы.
Любой пожар распространяется за счет передачи выделившегося во фронте пожара тепла путем конвекции, кондукции и переноса горящих частиц к свежей порции органической массы.
Универсальность этого механизма распространения позволяет все типы пожаров считать разновидностями ландшафтного пожара.
При низовых пожарах сгорают опавшие с деревьев хвоинки и тонкие веточки, слои мхов и лишайников, трав, кустарников, а также валежник и сухие пни. Как правило, при лесных пожарах сгорает не более 20-30% всей органической массы.
Несмотря на общие эксперименты существующих работ по данной тематике, как уже было сказано, до сих пор не решен вопрос о преобладающем механизме переноса энергии из зоны реакции в зону свежих ЛГМ. В ряде работ полагается, что определяющей является конвекция, в других – излучение. Следовательно, как излучение, так и конвекция играют важную роль, и необходимо учитывать оба механизма переноса энергии.
Основными уравнениями, на основе которых происходило описание кинетики пожара, являлись нижеприведенные соотношения.
1). Уравнения сохранения массы конденсированных продуктов:
а). УСМ исходного вещества:
б). УСМ воды:
в). УСМ коксика:
г). УСМ золы:
2). Уравнение неразрывности газовой фазы:
3). Уравнение сохранения массы компонент газовой фазы:
4). И, наконец, уравнение сохранения энергии:
На основе приведенных уравнений были построены численные схемы, и методика решения выглядела следующим образом:
1. Задание начального распределения температур;
2. Нахождение объемных долей по известной температуре (численное решение уравнений сохранения массы конденсированных продуктов);
3. Нахождение плотности газовой фазы (численное решение уравнения неразрывности газовой фазы);
4. Нахождение концентраций компонент газовой смеси (численное решение уравнений сохранения массы компонент газовой фазы);
5. Поиск новых значений температуры (численное решение уравнения сохранения энергии);
6. Переход к шагу 2.
Данная методика была успешно реализована, и к настоящему моменту имеются следующие результаты:
1). Полностью решена одномерная задача динамики пожара.
2). Частично решена двумерная задача:
– созданы новые методики и численные схемы для двумерной задачи;
– реализован новый подход к решению уравнений концентрации (в частности, использование схемы Conduct из работ Патанкара);
– получены распределения концентрация газовых компонент и объемных долей ЛГМ, влаги и коксика для двумерного случая;
На основе полученных данных можно говорить о целесообразности применения данной схемы при моделировании распространения лесных пожаров.
Список литературы:
1. Субботин радиационного и комбинированного теплообмена на скорость распространения низового пожара. / Радиационный комбинированный теплообмен. – IV Минский международный форум. Минск-2000. Т.2. с. 51-55.
2. Конев основы горения растительных материалов. – Новосибирск: Наука, 1977. 65 с.
3. Теплофизический справочник. Под ред. , Т.2, Москва: Энергия,1976. 812 с.
4. Гришин модели лесных пожаров. - Томск: ТГУ, 1981. 277 с.
5. Теплофизика лесных пожаров: Сборник под ред. – Новосибирск: институт теплофизики, 1984. 200 с.
6. Патанкар решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах. – М. Издательство МЭИ, 2003.
