лесные пожары. Исследование основывается на численном решении двумерных уравнений Рейнольдса для того, чтобы описать турбулентное течение учитывая уравнения диффузии для химических компонентов и уравнений сохранения энергии для газовой и конденсированной фаз 4.
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
1.2 Экспериментальные исследования возникновения и развития лесных пожаров Общая математическая модель лесных природных пожаров – своеобразный эталон точности физико-математического описания разных типовых лесных пожаров, который позволяет оценить полноту и точность более простых и удобных для практических целей моделей. С ее помощью 14 можно получить критерии подобия и понять влияние различных физико- химических факторов на характеристики и энергетику лесных пожаров. Использую современные ПК, современные численные методы, удается определить поля скорости, температур, концентрация компонентов, плотности, тепловых потоков и дать прогноз развития лесного пожара в заданном районе с учетом сезонных изменений свойств ЛГМ. Поскольку из-за требований экологической безопасности крупномасштабные эксперименты в натуральных условиях невозможны, математическое моделирование лесных пожаров является единственным способом изучения природы, предельных условий распространения, структуры фронта пожара и его энергетики [2]. Часто задачи осуществления полноценных экспериментальных исследований распространения лесных пожаров в натуральную величину невозможны, так как имеет место быть плохая воспроизводимость результатов измерений, так же большая зависимость характеристик горения от внешних факторов, таки как влажность воздуха и влагосодержание лесного древостоя, температура и атмосферное давление воздуха, неоднородности надпочвенного покрова и древостоя. С другой стороны полноценно в условиях лаборатории нельзя произвести моделирование лесного пожара, так как разные определяющие критерии подобия обусловлены неравновесным физико- химическими процессами такие как сушка и пиролиз ЛГМ, а так же горением газообразных и конденсированных продуктов пиролиза [9]. Исследования верховых пожаров немногочисленны из-за сложности эксперимента. Наиболее широко представлены в литературе экспериментальные исследования процесса горения и распространения огня в условиях лесного низового пожара. Так, например, в [10] авторами проведено экспериментально-аналитическое изучение закономерностей формирования и распространения очага низового пожара в лесу сосновой формации. В работе отражено выявление скорости нарастания фронта пламени, высоты огня для определенного запаса напочвенного слоя, распределения температуры по высоте фронта пламени. Оценены значения экспозиционной плотности лучистого потока энергии по пространству вблизи фронта горения, 15 установлены уровни достигаемой температуры в напочвенном слое в области непосредственной близости к огню. В дополнение к этому выявлен диапазон значений скорости перемещения фронта низового пожара на горизонтальном участке леса с напочвенным покровом, состоящим преимущественно из опада хвои, а также степень влияния на мобильность фронта влажности горючего материала. Регламентирующие документы предписывали обеспечить в ходе эксперимента соответствующие условия – скорость ветра не выше 3 м/с, температура окружающей среды в пределах 20±5 °С, влажность лесного горючего материала не более 30 %. Во время эксперимента комплексный погодный показатель горимости составил 4310, что отвечает IV классу пожарной опасности в лесу (высокая горимость) при скорости ветра в диапазоне 0-1 м/с, температуре воздуха 21 °С и влажности горючего материала около 20 %. Напочвенный слой, состоящий из опада хвои (80 %), мелких веточек, сучков, травы и листьев, приготавливался так, чтобы охватить по толщине достаточно широкий диапазон от пяти сантиметров при созданном запасе 5 кг/м 2 и плотности 100 кг/м 3 до одного сантиметра при естественном запасе 2 кг/м 2 и плотности 200 кг/м 3 . Испытания считались завершенными после полного выгорания всей массы горючего в пределах испытательной 16 площадки (рис.1) [10]. Рисунок 1 - Экспериментальное исследование возникновения и развития верхового пожара Надо сказать, что любой реальный пожар развивается от простого низового пожара к сложному. Первоначально простая форма пожара переходит в более сложную [2]. В частности, известно, что верховой лесной пожар возникает при поджигании крон деревьев от низового лесного пожара, который продолжает распространяться почти с той же скоростью, что и повальный верховой лесной пожар. В случае вершинных пожаров роль низового пожара сводится к подогреву, сушке, пиролизу и зажиганию продуктов пиролиза в кронах деревьев, после чего в результате действия сильного ветра следует быстрое распространение фронта по кронам деревьев, которое спустя некоторое время по тем или иным причинам прекращается. Вершинный верховой пожар может вновь возникнуть при переходе фронта низового пожара к месту остановки фронта вершинного пожара и процесс может многократно повторяться в указанном порядке[24,25]. Иными словами, самостоятельное существование вершинного верхового пожара невозможно, что послужило основанием для перенесения этого вида пожара в разряд сложных [2]. 17 На рис. 2 представлены результаты обобщения данных эксперимента в сериях натурных наблюдений по скорости распространения фронта пламени и увеличению охватываемой пожаром площади. Числовая аппроксимация процесса распространения фронта представляет семейство кривых, построенных на основании результатов измерений. При проведении экспериментальных исследований трудно смоделировать все возможные состояния по влажности среды, но численные подходы позволяют преодолеть эти трудности. Точность прогноза тем выше, чем ближе моделируемое состояние к экспериментально установленному. В этом смысле вызывает сомнения корректность прогноза для состояния по влажности 5 %, которое в природе едва ли достижимо, но близлежащие к эксперименту состояния (15 %, 25 % влажности) можно рассматривать как реальные оценки. При влажности напочвенного покрова 25 % с течением времени площадь пожара перестает существенно изменяться. Можно предположить, что дальнейшее увеличение влажности материала приведет к полному прекращению горения даже при длительном воздействии на него тепловой энергии. Рисунок 2 - Зависимость площади пожара от времени горения при температуре окружающей среды 21 °С, скорости ветра 1 м/с, запасе ЛГМ 1,4 кг/м 2 для уровней влажности ЛГМ, %: 25 (1), 20 (2), 15 (3), 10 (4), 5 (5) 18 В работах [11-14] описываются экспериментальные исследования переходов низовых лесных пожаров в верховые. Эти процессы изучались на специально подготовленных искусственных полосах, были подготовлены вкопанные сосна, высота которых составляла 4-5 метров, а мох и сухая хвоя были равномерно распределены по всему участку [4]. По результатам экспериментов получена зависимость температуры и теплового потока на нижних границах полога леса и на подстилающей поверхности. Вследствие исследования получены формулы, которые связывали геометрические параметры распространяющегося низового пожара и массовые скорости горения ЛГМ низового пожара [11]. В работе [9] для исследования распространения фронта лесного пожара использовались искусственно созданные лесные полосы, а для воспроизведения атмосферной турбулентности – натурный приземный слой атмосферы. В экспериментах контролировались температура в зоне горения, плотность суммарного теплового потока, скорость высокотемпературного гетерогенного потока в зоне горения, скорость ветра, влажность воздуха, атмосферное давление, температура воздуха, высота пламени, линейная скорость распространения фронта пожара, влагосодержание ЛГМ. Экспериментальное моделирование пожаров на местности позволяет выявить закономерности развития пламени. 1.3 Возникновение математических моделей лесных пожаров В связи с тем, что экспериментальные исследования верховых лесных пожаров являются очень трудоёмкими и дорогостоящими, представляет интерес использование методов математического моделирования [4]. Методы, безусловно, являются перспективным направлением в изучении данного явления. Математические модели лесного пожара, в первую очередь, требуются для предсказания его поведения, которое, в свою очередь, необходимо для эффективной борьбы с пожарами. Возможно количественное описание процессов горения при лесных пожарах. 19 Под математической моделью некоторой системы понимается совокупность соотношений, дающая в формализованном виде связь между входными и выходными параметрами этой системы. Процесс создания и использования математических моделей называется математическим моделированием и состоит из нескольких этапов. Это описание процессов, происходящих в системе – построение её математической модели; создание расчётных методов и алгоритмов для нахождения численных значений выходных параметров по заданным входным; установление соответствия модели реальной изучаемой системе; подготовка информационного обеспечения; непосредственное использование модели в рамках некоторой управляющей информационной системы. Исходя из представления о лесном пожаре как о динамической системе, мы под его математической моделью будем понимать совокупность соотношений, выражающих в формализованном виде связь между входными и выходными параметрами этой системы [3]. Объектом моделирования на фундаментальном уровне является горение, которое распространяется отдельными частицами по слою однородных горючих материалов (хвоинок, листьев), и других горючих материалов, расположенных на поверхности минеральной части почвы в виде их природных комплексов со специфической структурой. Входными параметрами являются физико-химические характеристики горючих материалов, характеристики состояния среды, в которой протекает процесс. Выходными параметрами, характеризующими процесс, могут быть распределения интенсивностей тепловых и массовых потоков, полнота сгорания горючего, размеры пламени, скорость его продвижения по объекту и другие. Важнейшие выходные характеристики пожара: вид пожара, скорость продвижения кромки, интенсивность горения, высота пламени, глубина кромки. Модель должна представлять собой алгоритмы, которые дают возможность прогнозировать контур и площадь, охваченную горением, рассчитывать ожидаемую длину периметра пожара, описывать части кромки и отдельные их участки, резко выделяющиеся своими характеристиками. 20 Математические модели лесных пожаров строятся на основе имеющихся экспериментальных исследований, законов механики реагирующих сред и понятий биологии. В состав большинства моделей поведения лесных пожаров входят модель прогнозирования динамики пожара, а также модель отображения пространственной информации о местности и форме пожара. Считается, что первая работа по моделированию пожара посвящена экспериментальному изучению процесса его распространения, и относится она к 1919 г. [15]. Затем появились первые теоретические оценки основных факторов, влияющих на горение в лесу [15], а также работы, посвящённые анализу закономерностей возникновения лесных пожаров [16]. Митчел в 1937 г. опубликовал работу, в которой приведена оценка изменения фронта пожара. В качестве приближённой оценки увеличения периметра пожара предложена зависимость между диаметром круга и длиной окружности. Этот метод слишком упрощённый и может быть использован для моделирования пожара наиболее простой конфигурации [15]. Экспериментальные модели можно условно разделить на две группы: экспериментально-аналитические и экспериментально-статистические. Все эти модели предназначены для вычисления скорости движения и конфигурации фронта пожара в лесных биогеоценозах под влиянием факторов погоды и инфраструктуры местности. В экспериментально-аналитических моделях используется смешанный подход к описанию лесного пожара. Обычно авторы исходят из уравнения теплового баланса в горящей кромке, а все остальные зависимости либо игнорируются, либо описываются простейшими моделями. С помощью этих моделей невозможно объяснить все аспекты развития пожара, поскольку в них включают некоторые параметры (константы), определяемые из эксперимента. В этих моделях используется комбинация физической теории со статистическими методами для вывода формул, описывающих поведение пожара[22]. Предполагается, что первые экспериментально-аналитические исследования лесных пожаров появились в 1940-х годах. Это исследования Карри и Фонса, проведённые на сосняках-мертвопокровниках и на 21 искусственных слоях из сосновых веточек и хвоинок [15]. В 1946 г. Фонс опубликовал математическую модель прогнозирования скорости распространения пожара [15]. Теоретической предпосылкой модели Фонса послужило представление о горении как о серии последовательных поджиганий частиц горючего и полученное на этой основе уравнение теплового баланса. Исследования эти послужили предпосылкой для создания в Северной Америке двух школ, которые разрабатывали модели распространения лесных пожаров, ставшие стандартами в Канаде и США. В США в качестве такого стандарта используются модели, разработанные Ротерммелом в 1972 году [15], а в Канаде – модели, основанные на уравнении интенсивности пожара, разработанные Байрамом в 1956 году [15]. Конец 40-х и 50-е годы явились периодом дальнейшего накопления сведений о свойствах растительных материалов (Амосов Г.А., Байрам Дж.), об их связи с окружающими условиями (Мелехов И.С., Нестеров В.Г.) и с характеристиками горения (Мелехов И.С., Нестеров В.Г., Анцышкин С.П., Вонский С.М., Амосов Г.А.). Особое внимание уделялось вопросу о способе передачи тепла от горящих частиц к частицам, подготавливаемым к горению. Охарактеризованы пламенное и беспламенное горение в лесу, приведены данные о теплотворной способности растительных материалов, теплоте их газификации, оценены доли различных видов теплопередачи в процессе их сгорания [15]. Существует ряд работ, связанных с прогнозированием конфигурации контуров пожаров. Приводятся аналитические выражения для описания контуров небольших пожаров (Н.П.Курбатский, Г.Н.Коровин и др.). Изучению механизмов теплообмена некоторых растительных материалов и созданию на этой основе математической модели скорости распространения огня посвящены работы Э.В.Конева [1] и А.И.Сухинина [15]. На основе равнений сохранения энергии и теплового баланса с учётом среднестатистических величин (расстояние между частицами, угол направленности, время зажигания и сгорания) они предложили уравнение 22 скорости распространения горения по слоям из лишайника, сосновой хвои и травяной ветоши [1]. В СССР в 60-е и 70-е годы была проделана большая работа по изучению природы лесных пожаров с учётом их биологических особенностей, по экспериментальному изучению влияния различных факторов на процесс горения низового пожара в полевых условиях и на модельных установках [15]. Значительный вклад в математическое моделирование лесных пожаров, в том числе и низовых, распространяющихся по напочвенному покрову, произошел с появлением цикла работ в Томском госуниверситете, выполненных под научным руководством А.М. Гришина. Предложенная А.М. Гришиным общая математическая модель лесных пожаров [2], учитывающая законы сохранения массы, импульса, энергии, а также физико-химические процессы, описывает процессы возникновения и развития горения во всех ярусах леса. Тепло из фронта пожара в несгоревшую зону передается конвекцией, турбулентной теплопроводностью и излучением. Лес рассматривается как многокомпонентная, реакционная недеформируемая пористая многоярусная среда. Математическая модель учитывает взаимное влияние процессов в приземном слое атмосферы, пологе леса и подстилающей поверхности. Идеи, заложенные при построении данной модели, успешно используются не только в нашей стране, но и за рубежом. Это одна из наиболее полных физико-математических моделей горения леса. Как отмечается в [1,2], верховые лесные пожары возникают в результате воспламенения нижней границы крон деревьев от очагов низовых лесных пожаров или в результате зажигания крон деревьев от молнии. В связи с этим представляет интерес изучение условий возникновения верховых лесных пожаров в результате зажигания крон деревьев от низовых лесных пожаров. В связи с такой практической значимостью данная тематика активно развивалась. Э.В. Конев внес важный вклад в понимание механизма распространения процесса горения среди лесных горючих материалов. Однако, его модели [1] сложны в реализации, так как он рассматривает распространение огня в твердой фазе от частицы к частице. Кроме того, Э.В. Конев не рассматривает 23 динамику газовой фазы при пожаре. Математическая модель Г. А. Доррера [3] описывает процесс распространения лесного пожара как бегущую волну в неоднородной и анизотропной среде. На основе методов гамильтоновой механики разработана геометрическая теория движения плоских фронтов природных пожаров, даны формулы для расчета контуров пожаров, их периметров и площадей, разработаны численные алгоритмы построения фронтов пожаров, как имитационного типа, так и основанные на методе подвижных сеток. Введены понятия индикатрис и фигуротрис процессов распространения. По сути, это целая сложная система моделирования процессов распространения и локализации природных пожаров, включающая ряд вспомогательных математических моделей, например, модели пространственной структуры слоев лесного горючего, динамики его влагосодержания и т. д.[22]. Зарубежные работы [17-19] этого же времени посвящены исследованиям возникновению и развитию верхового лесного пожара. В работе [19] описывается процессы возникновения верхового лесного пожара при имеющимся влагосодержании и запасе ЛГМ. Что касается России, то здесь данная модель строится на основе общих математических моделей лесных пожаров[2]. Распространение лесного пожара моделируется нестационарными уравнениями, полученными с помощью метода осреднения уравнений по высоте полога леса. С помощью численного интегрирования осредненных по высоте полога леса уравнений тепло - и массопереноса получены поля температур и концентраций компонентов, а также контуры лесного пожара в различные моменты времени. Согласно [15] математические модели, описывающие пожар, с точки зрения методологии моделирования условно разделяют на три различные группы: - модели, построенные «из первых принципов»; - модели «чёрного ящика»; - феноменологические. 24 Модели первой группы базируются на физике горения и описывают физические механизмы составляющих пожар процессов для получения изучаемых параметров пожара, не используя при этом экспериментальные данные (все необходимые константы могут быть вычислены на основе исходной теории). Эти модели учитывают три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекция и радиация. Вторая группа включает интерполяционные модели, в которых пожар рассматривается как «чёрный ящик» без учёта физической или иной его природы. Они используют экспериментальные данные, полученные в результате наблюдения за реальными пожарами, для определения статистических зависимостей между входными и выходными характеристиками модели пожара. Поскольку эти модели не основаны на физических процессах, успешность их применения при описании поведения пожара ограничена условиями, подобными тем, в которых происходили реальные пожары. В моделях третьей группы используется смешанный подход: экспериментально-аналитический. С помощью этих моделей невозможно объяснить аналитически все аспекты развития пожара и поэтому в них включают неизвестные параметры (константы), определяемые из эксперимента. В этих моделях используется комбинация физической теории со статистическими методами для вывода формул, описывающих поведение пожара. В зависимости от способа отображения результатов модели распространения пожара подразделяются на две категории: пространственные и непространственные. Пространственные модели позволяют пользователю видеть визуальное представление процесса распространения пожара по лесной территории. Непространственные модели вместо визуального представления предоставляют выходную информацию в виде графов и диаграмм [15]. В зависимости от того, учитывается ли неопределённость в модели, они делятся на детерминированные и стохастические (вероятностные). Детерминированные модели реализуют принцип: одинаковые причины 25 вызывают одинаковые последствия. Стохастические модели позволяют описывать факты, где причинно-следственные связи жёстко не заданы [15]. Модель должна быть достаточно простой и удобной для численных расчётов, чтобы её можно было использовать в оперативных целях. Моделирование на различных уровнях необходимо для изучения природы пожаров в лесном фонде, для поиска средств и способов тушения, для разработок схем обезвреживания пожаров, для проектирования противопожарных устройств леса, для планировки превентивных мер и устранение вспыхнувшего пожара. Модели с помощью имитационных алгоритмов могут использоваться для проектирования структуры и размещения противопожарных сил и средств наземной и авиационной охраны лесов, а также для маневрирования ресурсами авиалесоохраны [3]. |