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.

• Название: 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.
• Дата: 07.12.2021
• Размер: 1.09 Mb.
• Имя файла: лесные пожары.pdf
• Тип: Исследование; #294661
• страница: 4 из 4

2.3. Результаты расчетов и их анализ
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.
Были проведены численные расчеты для различных скоростей ветра от 3 м/с до 7 м/с с шагом 1 м/с, исследована зависимость скорости распространения верхового лесного пожара от запаса лесных горючих материалов (рис.4). При этом влагосодержание ЛГМ остаётся неизменной WL = 0.6.
Рисунок 4 - Зависимость скорости распространения верхового лесного пожара от скорости ветра и запаса ЛГМ: 1 – 0.2, 2 – 0.4, 3 – 0.6кг/м
3
На основе полученных результатов можно сделать вывод, что с увеличением запаса лесных горючих материалов скорость распространения

36 лесного пожара уменьшается, а с увеличением скорости ветра - увеличивается.
Следует отметить, что при скорости ветра 3 м/c и запасе ЛГМ 0.2 кг/м
3
горение не прекратится, но будет очень слабым, а при запасе 0.4 кг/м
3
и более скорость распространения пожара увеличивается. Лесной пожар продолжает распространяться по кронам деревьев.
Далее повторяем эксперимент, но теперь постоянным значением является запас ЛГМ , Z = 0.2 кг/м
3
, скорости ветра от 3 м/с до 7 м/с с шагом 1 м/с (рис.5).
Рисунок 5 - Зависимость скорости распространения верхового лесного пожара от скорости ветра и влагосодержания ЛГМ: 1 – 0.2, 2 – 0.6, 3 – 0.7.
В данном случае с помощью полученных результатов можно сказать, что при увеличении влагосодержания ЛГМ уменьшается скорость распространения пожара, а с увеличением скорости ветра - увеличивается. Следует отметить, что при скорости ветра 3 м/c и влагосодержания ЛГМ 0.2 горение протекает очень бурно, и при увеличении скорости ветра скорость распространения увеличивается. При уменьшении влагосодержания ЛГМ и неизменности запаса
ЛГМ скорость распространения пожара увеличивается, так, например, при

37 влагосодержания ЛГМ 0.7 огонь распространяться не будет, а при 0.2 огонь развивается быстро.

38
Далее более детально рассмотрим влияние скорости ветра, влагосодержания ЛГМ и запаса ЛГМ на скорость распространения огня. На рис.6 можно увидеть три фрагмента одного расчета, где представлен фронт горения, который распространяется по лесному массиву. На первом фрагменте представлены распределения изотерм газовой фазы и массовых концентраций компонентов газовой фазы различные в моменты времени (1 -
t=3 с., 2 - t=10 с., 3 - t=18 с., 4 - t= 24 с). Из рисунка видно, что за время распространения (24 секунды) фронт пожара расширился в направлении оси
х
2
(в направлении перпендикулярном направлению ветра) практически в два раза. Были проведены численные расчеты для различных скоростей ветра от
3 м/с до 7 м/с с шагом 1 м/с, исследована зависимость скорости распространения верхового лесного пожара от запаса лесных горючих материалов. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что с увеличением запаса лесных горючих материалов скорость распространения лесного пожара уменьшается, а с увеличением скорости ветра - увеличивается. Так, при скорости ветра 3 м/c с увеличением запаса ЛГМ от
0.2 до 0.6 кг/м
3
скорость распространения верхового лесного пожара уменьшается от 3 до 2 м/с . При скорости ветра 7 м/с увеличения запаса ЛГМ от 0.2 до 0.6 кг/м
3 приводит к уменьшению скорости распространения фронта горения от 4 до 2.5 м/c.

39
Рисунок 6 - Изотермы газовой фазы
)
300
,
/
(
K
T
T
T
T
T
e
e


: 1- 2., 2 – 2.6, 3 – 3,
4 – 3.5, 5 – 4. Изолинии концентрации кислорода (
23 0
,
/
1 1
1 1


e
e
с
c
с
c
): 1 –
0.1, 2 – 0.5, 3 – 0.6, 4 – 0.7, 5 – 0.8, 6 – 0.9. Изолинии концентрации продуктов пиролиз
2
c
(
23 0
,
/
1 1
2 2


e
e
с
c
с
c
): 1- 0.1, 2 – 0.05, 3 – 0.01.
Теперь рассмотрим влияние противопожарного разрыва на скорость распространения лесного пожара. Изначально задаются неизменяющиеся параметры лесного массива, а именно запас ЛГМ, скорость распространения ветра и величина разрыва, 0.2кг/м
3
, 5м/c, 2.5 м соответственно. Изменяется только влагосодержания ЛГМ от 0.2 до 0.7 (рис.7,8). На рис.7,8 представлено распределение изолиний изотермы газовой фазы
)
300
,
/
(
K
T
T
T
T
T
e
e


: 1- 2.,
2 – 2.6, 3 – 3, 4 – 3.5, 5 – 4. Изолинии концентрации кислорода (

40 23 0
,
/
1 1
1 1


e
e
с
c
с
c
): 1 – 0.1, 2 – 0.5, 3 – 0.6, 4 – 0.7, 5 – 0.8, 6 – 0.9. Изолинии концентрации продуктов пиролиз
2
c
(
23 0
,
/
1 1
2 2


e
e
с
c
с
c
): 1- 0.1, 2 – 0.05, 3 –
0.01.Изолинии объёмных долей фаз.
Рисунок 7 - Влияние противопожарного разрыва на скорость распространения лесного пожара при заданном влагосодержании 0.2.
Анализируя получившиеся результаты можно прийти к выводу, что огонь распространяясь до противопожарного барьера, с лёгкостью его перейдёт и начнет распространяться дальше.

41
Рисунок 8 - Влияние противопожарного разрыва на скорость распространения лесного пожара при влагосодержании 0.7.
В данном случае при влагосодержании 0.7 распространения пожара прекратится, не дойдя до противопожарного разрыва, а при влагосодержании
0.6 противопожарный разрыв обеспечит непроходимость огня дальше
(рис.9). На рис.9 представлено распределение изолиний концентрации продуктов пиролиз
2
c
(
23 0
,
/
1 1
2 2


e
e
с
c
с
c
): 1- 0.1, 2 – 0.05, 3 –
0.01.Изолинии объёмных долей фаз.

42
Рисунок 9 - Влияние противопожарного разрыва на скорость распространения лесного пожара при заданном влагосодержании 0.6.
Регулярно осуществляются необходимые профилактирующие мероприятия, которые предупреждают, снижают пожарную опасность, своевременно обнаруживают и ликвидируют лесные пожары. Такими мероприятиями могут являться специальные противопожарные разрывы шириной до 25 м, убираются все горючие материалы, организовывается минерализированные полосы или дороги, которые препятствуют распространению пожара и создают условия тушения[15]. Размер противопожарного разрыва зависит от параметров лесного массива, а именно влагосодержании и запасе ЛГМ, а так же скорости ветра.
Так же экспериментально получено минимальное расстояние разрыва, при котором фронт пожара останавливается и уже не распространяется на дальнейшие участки. На рисунках 2,3 представлено распределение изолиний изотермы газовой фазы
)
300
,
/
(
K
T
T
T
T
T
e
e


: 1- 2., 2 – 2.6, 3 – 3, 4 – 3.5, 5 –

43 4. Изолинии концентрации кислорода (
23 0
,
/
1 1
1 1


e
e
с
c
с
c
): 1 – 0.1, 2 – 0.5, 3
– 0.6, 4 – 0.7, 5 – 0.8, 6 – 0.9. Изолинии концентрации продуктов пиролиз
2
c
(
23 0
,
/
1 1
2 2


e
e
с
c
с
c
): 1- 0.1, 2 – 0.05, 3 – 0.01.Изолинии объёмных долей фаз.
Рисунок 10 - Распределения изолиний
̅,
̅̅̅,
̅̅̅ и объёмных долей фаз при наличии разрыва в 2.5м.
При заданной влажности, запасе ЛГМ и скорости ветра пожар с лёгкость пройдёт заданный разрыв в 2.5м. Далее рассмотрим график в котором разрыв увеличен всего на 1 метр, и пожар уже не распространяется дальше.

44
Рисунок 11 - Распределения изолиний
̅,
̅̅̅,
̅̅̅ и объёмных долей фаз при наличии разрыва в 3.5м.
На рис. 10,11 представлены перечисленные выше характеристики, равномерно распределенные по всей области, где есть разрывы, на рис. 10 разрыв составляет 2.5м, на рис. 11 разрыв составляет 3.5 м. Изотермы газовой фазы и изолинии концентраций кислорода и продуктов пиролиза равномерно распределены по всей области. Фронт двигается по направлению ветра (ось
x
1
) и расширяется в перпендикулярном направлении ветру по оси x
2
Далее опытным путём была выведена зависимость расстояния противопожарного разрыва от скорости ветра.

45
Рисунок 12 – Зависимость расстояния противопожарного разрыва от скорости ветра.
Расчеты показали, что при высоком влагосодержании ЛГМ расстояние противопожарного разрыва следует сделать меньше, чем при влагосодержании ЛГМ большего значения.
Математическая модель лесного пожара помогает проводить численный расчет по общей картине перемещения фронта верхового пожара, задавался разрыв в виде минерализованной полосы конечного размера.
Произведен численный расчет для определения ширины противопожарного разрыва, в одном случае пожар проходил через него, в другом нет. При численном интегрировании получены поля массовых концентраций компонент газовой фазы, температур, объемных долей компонентов конденсированной фазы. Анализируя полученные данные нужно отметить, что формируется фронт горения, который распространяется по лесному массиву. При определённых значениях параметров он обходит такой разрыв и распространяется далее. В то же время существуют критические значения, при которых фронт горения затухает при подходе к данной преграде.
Далее была проанализирована полученная зависимость скорости ветра от скорости распространения, с учетом влагосодержании ЛГМ. Расчеты
V, м/с
l, м

46 показали, что чем выше влагосодержание ЛГМ, тем ниже скорость распространения пожара, а чем меньше влагосодержание ЛГМ, тем скорость распространения фронта пожара больше.
Рисунок 13 - Зависимость скорости распространения пожара от скорости ветра.
Следовательно, на местности где осадков больше, та территория больше проявляет устойчивость к катастрофическим последствиям пожара.
С помощью математической модели лесных пожаров проводились численные расчеты по определению картины процесса перемещения фронта верхового лесного пожара, при наличии противопожарных разрывов конечных размеров (поляна). Были проведены численные расчеты для определения значений длины разрыва, при котором пожар переходит его либо не преодолевает данный разрыв. В результате численного интегрирования получены поля температуры и массовых концентраций компонент газовой фазы и температуры, объемных долей компонентов конденсированной фазы. Из анализа полученных данных следует, что формируется фронт горения, который распространяется по лесному массиву.
При определённых значениях параметров он обходит такую поляну с двух

47 сторон и распространяется далее. В то же время существуют критические значения, при которых фронт горения затухает при подходе к данной преграде.
На рисунках 14, 15 показаны результаты расчетов при распространении фронта пожара вокруг поляны со скоростью ветра 7 м/с.
Скорость ветра совпадает с направлением оси Х
1
. Изначально источник пожара имеет форму прямоугольника. На рисунках 14 и 15 представлено распределение концентраций кислорода и горючих летучих продуктов пиролиза в этом случае. Ширина данной поляна равно 5-ти метрам, а длина
9-ти метрам. В этом случае пожар распространяется дальше. В этих случаях влагосодержание ЛГМ 0.6, а запас ЛГМ 0.2 кг/
Рисунок 14 – Распределение изотерм газовой фазы (а), изолиний кислорода (б) и летучих продуктов пиролиза (с), объемных долей компонентов конденсированной фазы(д) при небольших параметров поляны.

48
Далее мы несколько увеличиваем ширину поляны до 9-ти метров.
Рисунок 15 – Распределение изотерм газовой фазы (а), изолиний кислорода (б) и летучих продуктов пиролиза (с), объемных долей компонентов конденсированной фазы(д) при увеличенных параметрах поляны.
На рис.15 представлена поляна с увеличенной шириной, тем самым можно сделать вывод о том, что незначительное увеличение ширины поляны препятствует дальнейшему распространению пожара.
Таким образом, проведенные численные расчеты распространения верховых лесных пожаров при наличии противопожарных разрывов бесконечной длины (в направлении оси Х
2
) и конечных размеров (поляна).
Получены условия распространения процесса горения для различных типов разрывов.

49
Заключение
В ходе данной работы проведено математическое моделирование возникновения и развития верховых лесных пожаров. На основе общей математической модели лесных пожаров и физической, математической постановки задачи о распространении верховых лесных пожаров была получена математическая постановка задачи для полога леса и приземного слоя атмосферы. Разработано программное обеспечение, с помощью которого проводились численные расчёты. Получены данные о предельном распространении пожара, найдены минимальные размеры противопожарных разрывов (ширина и длина), при которых фронт горения не распространяется.
Проведена оценка эффективности размеров противопожарных разрывов для различных скоростей ветра. Проведен большой обзор существующих теоретических и экспериментальных методов изучения верховых лесных пожаров.
Графическое представление результатов моделирования распространения лесного пожара позволяет оценить изменение пространственных характеристик пожара при варьировании основными характеристиками лесного массива. С помощью небольшого числа доступных входных данных можно описать процесс распространения пожара в виде модели распространения лесного пожара.
Текущее развитие информационных технологий, а также повышение качества и доступности интернета, позволяют автоматизировать многие процессы, в том числе обнаружения и прогнозирования лесных пожаров, а также поддержки принятия решения по борьбе с ними. Подобные возможности применимо к нынешнему развитию технических средств, позволяющих запускать функциональные приложения не только на слабых компьютерах и нетбуках, но даже и на современных мобильных телефонах

50 или смартфонах, способны облегчить вопросы борьбы с лесными пожарами в случае предоставления соответствующей программной части.
Управление лесными пожарами невозможно осуществить без их исследования. Комплексная оценка пожарной опасности должна не только учитывать условия, вызывающие возникновение пожара, но и прогнозировать параметры пожара, обуславливающие вероятный ущерб.
Использование современных методов исследования лесных пожаров позволяет существенно повысить экономическую эффективность работы пожарных служб.
Таким образом, проведённое исследование может стать основой для разработки новых усовершенствованных способов борьбы с лесными пожарами, а также методик по профилактике данного явления.