ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2010 Математика и механика № 3(11)
УДК 521.534:536.245.022
А.М. Гришин, П.В. Пугачева АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ЗАЖИГАНИИ СТЕНЫ ДЕРЕВЯННОГО ДОМА В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕЙСТВИЯ ФРОНТА ЛЕСНОГО ПОЖАРА
Дается краткий обзор работ по проблеме природных (лесных и степных) пожаров и приближенное аналитическое решение задачи о зажигании деревянной стены фронтом лесного пожара. Предлагается программа дальнейших исследований перехода природных (лесных, степных) пожаров на деревянные строения, поселки и города.
Ключевые слова: природные пожары, горение древесины, действие фронта природного пожара на деревянные строения, аналитическое решение задачи, физическое и математическое моделирование возникновения городских пожаров.
Известно, что во многих случаях в результате действия лесных пожаров на отдельные деревянные постройки в поселках и городах, расположенных на территориях, покрытых лесом, возникают пожары [1]. В частности, в г. Лос-Аламос (США) в мае-июне 2000 года имел место массовый городской пожар, причиной которого послужил лесной пожар [2, 3]. В связи с этим представляет интерес физическое и математическое моделирование воспламенения стены деревянного дома в результате действия фронта лесного пожара.
Цель исследования заключается в определении времени зажигания стены деревянного дома, что позволит планировать организацию тушения пожара.
Для получения аналитического решения этой задачи были приняты следующие основные допущения:
1. Начальные температуры фронта лесного пожара ТГ и деревянной стены ТН известны.
2. На границе раздела сред (зона пожара - деревянная стена) имеют место теплообмен в результате действия процессов излучения и теплопроводности, а также гетерогенные процессы испарения воды и горения древесины.
3. Наряду с процессом теплопроводности при решении задачи учитывается перенос окислителя (кислорода) к границе раздела стены и фронта пожара, в результате чего на поверхности деревянной стены происходит гетерогенная (процесс испарения) и экзотермическая гетерогенная реакция горения.
4. Условием зажигания является достижение на границе раздела сред критической температуры ТД = Т* >> ТН .
5. Предполагается, что зажигание происходит до момента окончательного прогрева деревянной стены.
На рис. 1 показаны зоны 1 и 2. В первой зоне представлена область 1, где имеет место лесной пожар и при / = 0 температура равна ТГ , а область 2 - деревянная стена, на которую действует фронт лесного пожара. Структура древесины об-
суждается в монографии [3], где отмечается, что она является пористым телом, в которое могут проникать жидкости и газы. Эти процессы на качественном уровне подробно рассмотрены в [4] с использованием известных экспериментальных данных. В работах [3 - 6] обсуждаются закономерности возникновения различных катастроф, в том числе и пожаров.
Предположим, что уравнение теплопроводности для зоны пожара и слоя древесины имеют вид [7]
где а = 'к1/ р1су1 и а2 =Х 2/ р2су2 - коэффициенты температуропроводности во
среды природного пожара, Дж/(м-с-К); Х2 - коэффициент теплопроводности дре-
ность древесины, кг/м3; су1 и су2 - теплоемкости газа в зоне пожара и древесине, Дж/(кг-К); / - время, с; х - координата, м; Т1 и Т2 - температуры в зоне пожара
и в слое древесины, К.
Будем считать, что на границе раздела сред выполняются условия равенства температур фронта пожара и древесины и баланс тепловой энергии с учетом окисления древесины и испарения воды из нее:
Здесь ТГ - температура горения во фронте лесного пожара, К; е - коэффициент
Л
1
2
Область
Область
расположения фронта лесного пожара
расположения
деревянной
стены
>
х < 0
0
х > 0
Рис. 1. Область определения основной системы уравнений
1. Математическая постановка задачи
о зажигании деревянной стены
(1)
фронте пожара и деревянной стене, м2/с; Х1 - коэффициент теплопроводности
весины, Дж/(м-с-К); р1 - плотность среды природного пожара, кг/м3; р2 - плот-
(2)
черноты; ст - постоянная Стефана - Больцмана, Дж/(м2-с-К4) [7]; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); MB - молярная масса воды, кг/моль; Tw - температура на границе раздела сред, К; А - эмпирический множитель; q1 -теплота испарения воды, Дж/кг; pw и pe - известные давления на границе раздела сред и в окружающей среде, Па; q2 - тепловой эффект горения древесины,
Дж/кг; ск - концентрация кислорода на границе раздела сред; k2 и E2 - пре-дэкспоненциальный множитель, м/с, и энергия активации, Дж/моль, для скорости гетерогенной реакции окисления древесины.
Кроме того, необходимо учесть начальные и граничные условия при х — -оо :
Т1 li=0 = ТГ , lim T1 = ТГ (3)
х—-о
и при х — о :
Т2 li=0 = Тн, lim Т2 = Тн . (4)
х——о
2. Аналитическое решение задачи
Используя результаты исследований, опубликованных в [7], для уравнения теплопроводности (1) при х < 0 имеем решение
г х л
Т = A1 + В1Ф
()
где А1 и В1 - произвольные постоянные, а Ф - функция ошибок [7].
Для второго уравнения (1), описывающего распространение теплоты в древесине при х > 0, согласно [7], имеет место другое общее решение:
Т2 = А2 + В2Ф
24a2i,
(6)
Здесь А2 и В2 - произвольные постоянные. По определению [7]
2 Г _?2
Ф(х) = —:= [ e ^ d^ . л/л 0
(7)
Видно, что в начальный момент времени температура в левой части области определения основной системы уравнений соответствует температуре горения во фронте лесного пожара, т.е. при х < 0 имеем
П=о = Тг . (8)
Из первого граничного условия (2) следует с учетом (5) и (6), что
А: = А2. (9)
Используя выражения (6) и (7), находим
дТ1
дх
- В
~2= exp (-х2)
Ып .
1
В
Jna1t
(10)
х=0
Т
дх
х=0
2 2 ’ В2-=ехр(-х )
. Ып .
В2
2у[а^ у]па2ґ
Из граничного условия (3) при х ^ -о получим
А + в = тг ,
а с учетом граничного условия (4) при х находим
А2 + В2 = ТН ,
(П)
(12)
(13)
Подставляя формулы (10) и (11) во второе граничное условие (2), получаем уравнение
в2
-^па2ґ
= &<зТГ - Х1
в1 4А(Рк - Ре )
^па2ґ -^2пЯМВТ№
+ ?2Р2к2С™ еХРІ -
А
ят
(14)
Таким образом, имеем систему уравнений (9), (12), (13) и (14) для определения четырех неизвестных А1, А2, В1.В2. Из выражений (9), (12) и (13) получаем
А = Тг - А, (15)
В2 = Тн - тг + Д. (16)
Подставляя (16) в уравнение (14), после соответствующих преобразований
имеем
В, (Г) =
т 4 , Х 2 (ТГ - ТН ) Ч\А(Рм, - Ре ) ,
еа!г +----------------------------.-. ^^ +
у}па2ґ у]2пЯМВТК
Е2
+42к2Р2См, ЄХРІ -
ят„.
(17)
Подставляя (20) в (18), найдем выражение для В2(г).
Далее следует определить неизвестное значение концентрации кислорода на поверхности древесины с№, входящее в выражение (2). Для этого используем
уравнение, описывающее диффузию кислорода:
* = в
д-С
-о < х<0 .
дг дх1
Здесь В - коэффициент диффузии; с - концентрация кислорода. Это уравнение имеет аналитическое решение [7]
I |х|
с = а + рФ! —-
(18)
(19)
,24ш ) '
Для определения неизвестных величин а и в используем начальные и граничные условия
с
= с„, сі „ = С,
(20)
где сН и с-0 - известные начальные значения концентрации и концентрации при
х ^ -00 .
Кроме того, на границе раздела сред имеется гетерогенная реакция окисления, поэтому справедливо условие
п дс Р2 П^Т
дх
= -k2p2Cw ЄХР|-Rr I • (21)
Подставляя (19) в граничное условие (21), получим
Из (19), (20) следует, что плотность кислорода на границе раздела сред при х = 0 равна
с№ = а . (23)
Из (19), с учетом того, что в нашем случае Ф| х=-ш = 1, имеем
а = сН - р . (24)
Используя (22) - (24), получим
сн4Ъ
VD + уркїк2 exp I — E
RTw
(25)
Окончательное выражение для концентрации кислорода после преобразований будет иметь вид
е^ 1Фм*!
4D + 4лік2 exp I---------— |ф
c =---------------v RT„ J ^ 12^tj c . (
■Jd + \fntk2 exp I-—
4 RTw
Легко видеть, что cw - концентрация окислителя на границе раздела сред, которая должна быть всегда меньше 1, что следует из определения cw. Поскольку предэкспоненциальный множитель k2 << 1, то cw при Ew имеет порядок
СХ ^ж<<1. (26)
Этот результат согласуется с физикой процесса гетерогенного воспламенения.
Представленные в работе результаты исследования перехода лесных пожаров в городские и поселковые исчерпывают проблему анализа действия природных пожаров на населенные пункты. Очевидно, что необходимо сравнить статистические данные по действию природных пожаров и использовать более точные математические модели прогноза катастроф [4-6] и численные методы решения задач математической физики [8]. Очевидно, что для создания баз данных математических моделей необходимо использовать методы решения обратных задач математической физики [9].
На рис. 2 представлен график изменения температуры в зависимости от пространственной координаты х , а на рис. 3 - изменения концентрации кислорода.
х, м
Рис. 3. График изменения концентрации кислорода в зависимости от пространственной координаты х при Г = 100 с
Заключение
Надо сказать, что в данной работе рассмотрена одна из простейших задач жизнедеятельности человека - сохранение жилищ, построенных из древесины, от действия лесных и степных пожаров.
Результаты исследований, которые представлены в данной работе нуждаются в дальнейшем развитии. В частности, необходимо учесть пористость и проницаемость древесины, а также анизотропию ее структуры [10]. Необходимо наряду с теоретическими исследованиями провести экспериментальные исследования действия лесных пожаров на поселки и города с использованием комплекса экспериментальных установок [11].
Используя методы [9-11], создать базу данных для численного решения задачи (значения коэффициентов теплопроводности и диффузии, пористости, скоростей испарения воды из пор и гетерогенных и гомогенных химических реакций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шойгу С.К., Копылов Н.П., Баратов и др. Пожарная безопасность. Энциклопедия. М.: МЧС России, ФГУ ВНИИ ПО МЧС России, ЗАО «Голден-Би», 2007. 405 с.
2. Ramos O. Cerro Grande canyons of fire, Spirit of community / Octavio Ramos, Jr. Chris Pearly et al.; рrepared by Los Alamos National laboratory, 2001. 188 p.
3. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф (основные определения и понятия теории катастроф и общие закономерности их возникновения и развития) Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. 122 с.
4. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф. Ч. 1.Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. 524 с.
5. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф. Ч. 2. Кемерово: Практика. 2005. 560 с.
6. Гришин А.М. Петрин С.В., Петрина Л.С. Моделирование и прогноз катастроф. Ч. 3. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. 575 с.
7. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 487 с.
8. Гришин А.М., Зинченко В.И., Ефимов К.Н. и др. Итерационно-интерполяционный метод и его приложения. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. 320 с.
9. Гришин А.М., Зинченко В.И., Кузин А.Я. и др. Решение некоторых обратных задач механики реагирующих сред. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. 418 с.
10. Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск: Наука, 1976. 190 с.
11. Гришин А.М., Зима В.П., Кузнецов В.Т. и др. Комплекс экспериментальных установок для исследования природных пожаров // Изв. вузов. Физика. 2009. № 2/2. С. 84 - 89.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
ГРИШИН Анатолий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физической и вычислительной механики Томского государственного университета. E-mail: [email protected]
ПУГАЧЕВА Полина Викторовна, аспирантка кафедры физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета. E-mail: [email protected]
Статья принята в печать 21.06.2010 г.