Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно
действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/
Поступила в редакцию 1 декабря 2012 г. УДК 533.6.
Экспериментальное исследование процессов
зажигания нагретой частицей биологически трансформированного опада лиственных пород
© Захаревич1 Аркадий Владимирович, Барановский1*+ Николай Викторович
и Стрижак2 Павел Александрович
1 Кафедра теоретической и промышленной теплотехники. 2 Лаборатория моделирования процессов тепломассопереноса. Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
Пр. Ленина, 30. г. Томск, 634050. Россия. Тел.: (3822) 56-36-13. E-mail: *****@***ru
_______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: зажигание, нагретая до высоких температур частица, биологически трансформированный опад, лиственные породы, время задержки зажигания.
Аннотация
Проведено экспериментальное исследование процессов зажигания лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей. В качестве объекта исследований использован биологи-чески трансформированный опад лиственных пород (листья березы). Источник возгорания модели-ровался одиночной нагретой до высоких температур частицей металла. Получены времена задержки зажигания от начальной температуры частицы. Сформулирован физический механизм зажигания биологически трансформированного опада лиственных пород.
Введение
В типичных бореальных массивах (например, древостои Томской области) службами охраны и защиты леса фиксируется три пика активности пожаров – весенний, летний и осенний [1]. Многие лесные массивы представлены смешанными древостоями с включением или преобладанием лиственных пород [2].
По результатам экспериментальных [3, 4] и теоретических [5-7] исследований установ-лено, что возгорание лесных горючих материалов (ЛГМ) лиственных пород деревьев воз-можно в результате воздействия локальных источников нагрева трех типов: сфокусированное солнечное излучение [8], грозовой разряд [6, 9], нагретые до высоких температур частицы [7].
Разработан новый подход к анализу лесной пожарной опасности [10, 11], в основе которого лежит моделирование процессов тепломассопереноса в слое ЛГМ и прилегающем к нагреваемой поверхности слое воздуха [12, 13].
Но при анализе возможных механизмов зажигания ранее [3-13] не рассматривался вариант, когда источником инициирования возгорания лесного горючего материала является частица, нагретая до высоких температур, образовавшаяся при растрескивании ствола дерева при грозовом разряде.
В этом случае возможно зажигание ЛГМ напочвенного покрова, находящегося в непос-редственной близости от ствола дерева, через который прошел разряд. Листья этого слоя находятся в тени кроны дерева и подвергаются заметной биологической трансформации. Возможны различия в условиях зажигания таких листьев и сухой зеленой листвы, по которой получены данные [3, 4] о предельных температурах зажигания и временах задержки для ти-пичных режимов теплового воздействия.
Представляет интерес оценка условий и характеристик зажигания типичных лесных ЛГМ – опада лиственных пород. Ранее исследован вопрос воспламеняемости сухой зеленой листвы березы [3, 4] при воздействии одиночных нагретых до высоких температур частиц металлов и неметаллов. Анализ процессов возгорания сухой зеленой листвы актуален в летнее время. Однако, в осенний период необходимо исследовать пожароопасные свойства ЛГМ, опавших на слой почвы и подвергшихся заметной биологической трансформации в условиях внешних воздействий [14].
Цель исследования – изучение процессов зажигания нагретой до высоких температур частицей биологически трансформированного опада лиственных пород.
Экспериментальная часть
Объектом исследований являлись навески, сформированные из типичного ЛГМ – опада листвен-ных пород (листья березы). Слои моделировались хаотичной укладкой листьев на подложке анало-гично [3, 4]. Плотность укладки соответствовала плотности опада лиственных пород в смешанных лесах.
Листья березы очередные, цельные, по краю зубчатые, яйцевидно-ромбические или треугольно-яйцевидные, моносимметричные, с широким клиновидным основанием. Жилкование листовой плас-тины совершенное перисто-нервное, боковые жилки оканчиваются в зубцах.
В экспериментах использовались листья, которые после биологической трансформации в усло-виях внешних воздействий (осадки, солнечное излучение, периодические изменения температур) приобретают бурый (ближе к черному) цвет, теряют эфирные масла, которые уходят в слой почвы.
Очевидно, что процессы биологической трансформации будут влиять на пожароопасные свойства побуревшей листвы.
Типичные морфологические характеристики объекта исследования – одиночного листа: размеры 4 см в продольном направлении и 2.5 см в поперечном направлении (в самом широком сечении). Конец листа заостренный.
Сбор листьев проведен в последней декаде сентября. Как известно [15], реальные образцы ЛГМ могут быть морфологическими частями древесной растительности разного размера, разной степени разложения, различного местоположения по толщине слоя. Осуществлен сбор опавшей побуревшей листвы с верхнего горизонта слоя опада, чтобы минимизировать влияние степени разложения в течении длительного времени на исследуемые процессы.
Сушка ЛГМ проводилась в сушильном шкафу в течение нескольких часов. Удаление влаги из листьев продолжалось до состояния их полного высыхания, соответствующего условиям катастро-фической пожарной опасности [16]. События 2010 года в Центральной России [17] и 2012 в Западной Сибири показали высокую вероятность такого сценария и актуальность исследования именно катаст-рофических условий лесной пожарной опасности.
Эксперименты проведены на установке [18] и по методике [19] со стальными частицами в форме цилиндров размеров: а) диаметр d = 6 мм; высота h = 13 мм; масса m = 2.5 г; б) d = 8 мм; h = 17 мм; m = 6.2 г. Выбор стали для изготовления частиц, использующихся в качестве локального источника нагрева, обусловлен рядом причин.
Во-первых, сталь является химически инертной по отношению к объекту исследований в ука-занном диапазоне температур [20]. Во-вторых, при использовании стальной частицы не возникает проблем деформации и фрагментации, как например, при нагреве древесных частиц [21].
Теоретические исследования [6, 9] показали, что в реальной практике возможно образование частиц древесины с достаточно высокой температурой поверхности (>1000 K) за очень короткие периоды времени, соответствующие времени прохождения грозового разряда через ствол (менее 0.5 с).
Соответственно, термическое разложение древесины не успеет завершиться даже на 10-15%. В реальных условиях экспериментов нагреть частицу древесины до такой температуры быстро невозможно. Поэтому и использовались стальные частицы.
По результатам статистической обработки экспериментальных данных рассчитаны довери-тельные интервалы определения времени задержки зажигания листьев березы с доверительной веро-ятностью P = 0.95 [22]. Предполагалось нормальное распределение измеряемой величины (время задержки зажигания). Проводилось не менее пяти опытов с идентичной частицей при постоянной начальной температуре. Каждая точка на рис. 1, 2 соответствует среднему значению tign, опре-деленному по результатам 5-7 экспериментов.
Результаты и их обсуждение
Визуальные наблюдения и анализ кадров видеосъемки процессов зажигания биоло-гически трансформированного опада из листьев березы позволяют описать следующий меха-низм возникновения возгорания ЛГМ в результате действия нагретой до высоких температур частицы металла.
Первая непродолжительная стадия – инертный прогрев листа локальным источником повышенной температуры. Затем происходит процесс термического разложения материала листа и его газификация. Газообразные продукты пиролиза диффундируют в область воздуха над листом, где смешиваются с окислителем – кислородом. При определенных концентрациях реагентов и температуре газовой смеси происходит зажигание березового листа в газовой фазе. Протекание этого процесса не зависит от ориентации листа.
Зависимости времени задержки зажигания от начальной температуры частиц представ-лены на рис. 1, 2.
|
|
Рис. 1. Зависимость времени задержки зажигания от начальной температуры частицы (d = 8 мм; h = 17 мм) | Рис. 2. Зависимость времени задержки зажигания от начальной температуры частицы (d = 6 мм; h = 13 мм) |
Доверительные интервалы приведены также на рисунках. Нижний предел зажигания по начальной температуре частицы с размерами d = 8 мм; h = 17 мм – 1113 К. Установлен также нижний предел устойчивого распространения фронта пламени по слою ЛГМ – 1153 К. Для частицы с размерами d = 6 мм; h = 13 мм нижние пределы соответственно, 1153 К и 1193 К.
Экспериментальная зависимость, как и для других типичных ЛГМ [3, 4, 23-25], для биологически трансформированного опада может быть аппроксимирована прямой. Сравнение зависимостей tign от T на рис. 1, 2 с известными в теории зажигания различных твердых [26-28] и жидких [29-31] конденсированных веществ аналогичными зависимостями tign от начальной температуры локального источника нагрева – одиночной горячей частицы показы-вает, что они существенно отличаются.
Эти отличия обусловлены скорее всего, различиями в механизмах теплообмена для всех выше приведенных вариантов конденсированных веществ. Линейные зависимости времени задержки зажигания ЛГМ от начальной температуры частиц иллюстрируют отсутствие тра-диционной экспоненциальной (аррениусовской) зависимости скорости реакции взаимодейст-вия газообразных продуктов термического разложения ЛГМ с окислителем.
В этой связи режим зажигания лесных горючих материалов трансформированного опа-да, скорее всего можно квалифицировать как “диффузионный” в соответствие с терминоло-гией [32].
Возможное длительное воздействие природных факторов (осадки, выпадение росы, ветер и другие) приводит к снижению концентрации горючих компонент в листьях опада.
Соответственно условия зажигания ЛГМ в этом случае во многом зависят от интен-сивности массообмена.
Заключение
По результатам экспериментального исследования процессов зажигания одиночной нагретой до высоких температур частицей биологически трансформированного опада лист-венных пород на примере листвы березы установлены основные закономерности и физи-ческий механизм зажигания биологически трансформированного березового листа.
Показана возможность воспламенения такого ЛГМ в диапазоне температур 1113 К и выше, а устойчивого распространения фронта горения по слою при 1153 К и выше.
Выводы
1. Выявлен физический механизм зажигания биологически трансформированного опада лист-венных пород одиночной нагретой до высоких температур частицей.
2. Установлены предельные условия зажигания стальной частицей и определена зависимость времени задержки зажигания от начальной температуры частицы. Зависимость времени задержки зажигания в исследуемом диапазоне начальных температур, как и для других ЛГМ, может быть аппроксимирована прямой.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 12-08-33002 Мол_а_вед.
Литература
[1] Паневин и лесное хозяйство Томской области. Томск: Изд-во Том. ун-та. 2006. 126с.
[2] , Злобина изменения экологических функций бореальных лесов Евразии вследствие нарушенности их пожарами. Сибирский экологический журнал. 2001. №6. С.661-665.
[3] , , Максимов типичных лесных горючих материалов опада лиственных пород локальным источником энергии. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №6. С.23-28.
[4] , , Максимов исследование процессов зажигания опада широколиственных пород деревьев источником ограниченной энергоемкости. Экологические системы и приборы. 2012. №7. С.18-23.
[5] Барановский исследование зажигания слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.26. №11. С.53-60.
[6] , Барановский моделирование зажигания дерева хвойной породы наземным грозовым разрядом. Пожаровзрывобезопасность. 2008. T.17. №3. С.41-45.
[7] , Барановский моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т.15. №4. С.42-46.
[8] Барановский исследования зажигания слоя лесных горючих материалов сфокусированным солнечным излучением. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №9. С.23-27.
[9] , Барановский зажигания дерева хвойной породы наземным грозовым разрядом. Пожаровзрывобезопасность. 2009. №3. С.29-35.
[10] , Барановский -вероятностный прогноз лесопожарных возгораний. Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т.15. №5. С.56-59.
[11] , Кузнецов неустановленных причин в детерминированно-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности. Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т.20. №6. С.24-27.
[12] , Барановский постановка и численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. С.30-37.
[13] , Барановский исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей в плоской постановке. Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т.13. №2. С.173-181.
[14] Пинаева органического вещества лиственного опада в зависимости от структуры сообщества микро - и мезофауны почв. Диссертация … канд. биол. наук. Тольятти: РГУТиС. 2009. 169с.
[15] Курбатский свойств и количества лесных горючих материалов. Вопросы лесной пирологии. ИЛиД СО АН СССР. Красноярск. 1970. С.5-58.
[16] M. D. Flannigan, B. J. Stocks, B. M. Wotton. Climate change and forest fires. Science of the Total Environment. 2000. Vol.262. Nо3. P.221-229.
[17] Девисилов лес просит пощады и защиты! Безопасность в техносфере. 2010. №6. С.3-7.
[18] , , Максимов зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т.17. №5. С.39-42.
[19] , , Максимов дизельного топлива одиночной “горячей” металлической частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т.17. №4. С.28-30.
[20] R. M. Hadden, S. Scott, Ch. Lautenberger, C. Fernandez-Pello. Ignition of Combustible Fuel Beds by Hot Particles: An Experimental and Theoretical Study. Fire Technology. 2011. Vol47. No.2. P.341-355.
[21] S. L. Manzello, T. G. Cleary, J. R. Shields, J. C. Yang. On the ignition of fuel beds by firebrands. Fire and Materials. 2006. Vol.30. P.77-87
[22] Гмурман вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. Шк. 2003. 479c.
[23] , , Максимов лесного горючего материала углеродистой нагретой до высоких температур частицей. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.29. №2. С.102-108.
[24] , , Максимов лесных горючих материалов одиночными, нагретыми до высоких температур частицами. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №4. С.13-16.
[25] , , Максимов зажигания слоя лесных горючих материалов при локальном нагреве. Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т.14. №2. С.175-180.
[26] , , Таратушкина конденсированного вещества «горячей» частицей. Химическая физика. 2004. Т.23. №3. С.67-72.
[27] , , Таратушкина моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей. Физика горения и взрыва. 2004. Т.40. №1. С.78-85.
[28] , Микова зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла. Физика горения и взрыва. 2009. Т.45. №2. С.40-47.
[29] , Стрижак до высоких температур частицы металла как источники локальных возгораний жидких веществ. Пожарная безопасность. 2008. №4. С.72-76.
[30] , Стрижак воспламенения жидкого вещества горячей частицей. Химическая физика. 2009. Т.28. №5. С.91-98.
[31] G. V. Kuznetsov, P. A. Strizhak. 3D problem of heat and mass transfer at the ignition of a combustible liquid by a heated metal particle. Journal of Engineering Thermophysics. 2009. Vol.18. No.1. P.72-79.
[32] Франк-Каменецкий и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука. 1987. 492c.
