CC BY
11
УДК 544.4+536.2+532+519.6
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ ПО СЛОЮ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА
1КОРОБЕЙНИЧЕВ О. П., 2ШАКЛЕИН А. А.
1Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского Сибирского отделения РАН, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3 2Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Разработана математическая модель распространения пламени по слою пористого горючего материала, учитывающая взаимодействие основных протекающих физико-химических процессов. Вычислительный алгоритм сформулирован в сопряженной постановке «газ-твердая фаза пористого тела» для отражения связи процессов, происходящих в твердом теле и газовой среде рассматриваемой гетерогенной системы. Проведены численные расчеты распространения пламени по слою пористого горючего материала и получены качественные оценки основных параметров исследуемого процесса.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: распространение пламени, пористый горючий материал, лесной пожар, диффузионное горение, радиационный теплоперенос.
Одной из актуальных научно-технических задач в настоящее время является борьба с лесными пожарами. Согласно официальной статистике, каждый год в среднем фиксируются десятки тысяч лесных пожаров по всей стране [1]. Наносится значительный ущерб флоре и фауне, загрязнение воздуха негативно сказывается на здоровье человека. Для предотвращения пожаров, а также снижения их негативных последствий требуется развитие и совершенствование теоретических знаний о природе явления и лежащих в его основе процессов. В частности, одно из важных направлений исследований направлено на изучение фундаментальных закономерностей распространения пламени по лесному покрову, поскольку данный процесс является определяющим фактором в росте охваченной огнем области.
Исследованию процесса распространения лесных пожаров посвящено множество работ, например [2 - 7]. Горение хвоинки изучено в работе [2], представлены зависимости концентраций продуктов от времени. Экспериментальное изучение распространения пламени по лесному горючему материалу представлено в [3, 4]. В работах оценивается влияние влаги и скорости ветра на скорость распространения пламени, представлены температуры в газе и к-фазе. В работах [5 - 7] проводится численное моделирование процесса распространения пламени по лесному горючему материалу.
В данной работе проводится теоретическое исследование процесса распространения пламени по слою лесного горючего материала. Лесной горючий материал (сосновая хвоя) описывается в виде пористой среды с эффективными теплофизическими свойствами (тепловодность, теплоемкость, плотность, проницаемость). Численное решение рассматриваемой задачи предполагает учет основных теплофизических и химических процессов, протекающих в газовой среде и твердом пористом материале: гидродинамику течения многокомпонентного газа, газофазное горение, радиационный теплоперенос, термическое разложение растительного горючего материала, тепломассообмен в гетерогенной среде «газ-пористое тело».
Математическая модель формулируется на основе разработанного ранее подхода, описывающего распространение пламени по поверхности полимерного горючего материала [8, 9]. Основной особенностью модифицированной модели является описание процесса тепломассопереноса в двухфазной среде, учитывающее течение газа в порах и кинетику термического разложения и газификации лесного горючего материала.
Математическая модель. Газовая среда описывается следующими уравнениями
Эа грг Эа„р„иг-« «.+——= т,
Э/
Эх-
Эа *р *и = -а* ЭР+Аа, - М,,, + (а *р *-р.) й,
Э/
Эх, * Эх, Эх, ^ Эх, *,г 4 *^
Эа*р . ЭаяСяТяи] Э
ЭТ„
Э/
+ ™ * * ] = ^ а * 1ЭХГ + б.® * + бЖ + ФОлаЛат
Эх1
ЭЧг Эх]
Эа * (Ут + Эа * (усо Ь и]
Э/
Эх
а
Э(Уга)
7
Эх,
Эх
— — V ^ глЖ +У ^ глЖ
]
Эа*р * К) Эа*р * К) "] Э ) - +----— =-а р _ Л
Э/
+ -
Эх
1
ах/ ^
Эх1
Эа*р * (^ ) Эа*р * (^ ) -2- +-
и,
Э/
Эх,
Э Э(7то2)
* = р*Л-^-- + Пg,CoWg +Пs,C02Wchar '
Эх
1
Эх
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
1
Эа *р * (^О ) * Эа *р * (^О ) ои] -2-+-
К__-
Э
Э/
Эх
а * р
Э(Ч0)
Эх/ *^
Эх
+ т
vap"
(7)
(8)
1 1 1
р = р8КТ8.
Радиационный теплоперенос рассчитывается с помощью модели Pl. Распространение излучения считается изотропным, рассеянием пренебрегается. В процессе теплопередачи излучением участвуют как газовая среда, так и твердая фаза пористого тела. Уравнение модели записывается в виде
1
(
Эх,
Эв
3к Эх
Л
• +к( 4оТ4 — в ) =
0.
Чг = —
]
1 ав
3к Эх
]
Эффективный коэффициент поглощения определяется следующим образом
к=а* Е х,к, + 4
(9) (10)
(11)
Предполагается, что в качестве газообразного горючего вещества, выделяющегося в результате реакций пиролиза, выступает СО. Механизм газофазного горения описывается одной макро-реакцией вида
(^ П ^2 ®(Ш2 ) * . (12)
Скорость газофазного горения определяется по зависимости Аррениуса
Ж =а*р 8к8 (7Ш)* (Уо2)* ехр
г — Е Л
К0Т*
(13)
V 0 *
Изменение состава твердого материала в результате термического воздействия учитывается следующими механизмами: разложение сухой хвои на газообразные горючие продукты пиролиза и коксовый остаток, окисление коксового остатка с образованием углекислого газа и твердых минеральных остатков (золы), а также фазовый переход (испарение воды, содержащейся в хвое). Химические реакции в твердом пористом теле имеют вид
Э
(PN+H2O)s PN)s +(H2O)g.
(PN)s ®V
s,char
(Char )s + (1-Vs,char)( CO).
(Char)s +Vs,o2 (O2)g ® (1 —Vs,ash)(CO2 )g + Vs,ash ( ASh)s . Твердое тело описывается нижеприведенными уравнениями
Ps ^ = — ((1 — Vchar ) Wpyr + mvap + (1 — Vash ) Wchar ) ,
dt
das (YPN )s d t
das (YH2O )s dt
das (Ychar )s
-Wr
pyr-
: -mm.
vap:
PsCs
dt
dasgs dt
' VcharWpyr Wchar '
Qg®s + Lvapm vap + QpyrWpyr + (1 j) QcharWchar
dqL Эх,-
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20) (21)
Скорости протекания физико-химических процессов в твердом теле определяются в следующем виде
m = <
'"vap >
0, g < 373K,
Q
g
g ®s
-L
g = 373 K.
vap
W
pyr
asPskpyr (YPN )s exp
Г — E_ Л
pyr
R0T
s J
Wchar
1
-a
V s,O,
P gkchar (YO2 ) g asss exp
f E Л
char
R0gs
(22)
(23)
(24)
40- .чу
Межфазное взаимодействие описывается в виде критериальных зависимостей следующими выражениями
S Q
M
3
u
s®gi = 8 agPgasSsCd 2 U .
g®s
Q
= a s
s®g
h (gg—gs ) .
(25)
(26)
P
s
P
s
P
s
ч'
/
ДЛЛЛАДЛДЛЛЛДДЛЛДДАЛЛ
Ly_s J
-"--J
Ly
Рис. 1. Схема расчетной области
Общая схема расчетной области приведена на рис. 1.
Уравнения (1) - (9), описывающие газовую фазу, решаются на всей расчетной области (< х < Ьх §, 0 < у < Ьу).
Уравнения (17) - (21), описывающие пористое твердое тело, решаются на подобласти, соответствующей расположению хвои ( -Ьх^ < х < 0, Ьу-Ьу^ < у < Ьу ).
Граничные и начальные условия выглядят следующим образом
газовая фаза:
'x,s •
y = 0 : x = -L
x Lx,g3
y = Ly : t = 0:
u = ^^ = vfl, Tg = Tag, (Yk)g = 0 k ={yco,yco2,yh2o] , (yo )g = (yo2 )g
u = 0, V = 0, Эу/Эх = 0, y = {Tg,(Yk)g], k = {yco,yco2,yh2o,yo2].
Эу / Эх = 0, y = {u, v,Tg, (Yk )g ], k = {yco,yco2,yh2o,yo2 ]. u = 0, v = 0, Tg = Ta, (Yk)g = k = {yco,yco2,yh2o], ^ = (yo2)" .
твердая фаза пористого тела: t = 0 : Ts = Ts, (Ychar )s = 0, (YH20 )s = fe )0 , (YPN ), = 1 -fe f •
Вычислительный алгоритм. Уравнения (1) - (9), (17) - (21) решаются методом конечных объемов. Поля скорости и давления связываются алгоритмом SIMPLE. Уравнения в газе (1) - (9) решаются неявно, интегрируются по времени с первым порядком аппроксимации, конвективные слагаемые определяются по противопоточной схеме с первым порядком по пространству, диффузионные слагаемые - со вторым порядком. В твердом теле уравнения (17) - (21) интегрируются по времени явной схемой первого порядка. Общей алгоритм решения нестационарных уравнений основан на проведении итераций внутри каждого временного шага. Программная реализация вычислительных алгоритмов производится на основе собственного кода.
Результаты расчетов. Решается задача распространения пламени по слою лесной хвои. Подстилка с хвоей имеет следующие размеры: Lx s = 0,34 м, Ly s = 0,017 м. Зажигание
производится нагревом лесной хвои по всей высоте подстилки (Ly s) с левого края. Используются следующие свойства хвои: ps
= 710 кг/м3, Cs = 1470 Дж/кг К, ag = 0,928,
os = 5300 м- [3]; стехиометрические коэффициенты: V
s,ash
: 0,2, V
s,char
:0,338, V
sO
1,65; -1
кинетические параметры модели разложения хвои имеют следующий вид [6]: круг = 3,64е4 с кеЬаг = 430 м/с, иРуг/Я = 7250 К, Е^/Я = 5700 К, ОруГ = -0,418е6 Дж/кг, О^аг = 1,2е7 Дж/кг, ф = 0,5; параметры газофазной макрореакции составляют: кё = 1010 с-1, Её = 90-103 Дж/моль, = 25-106 Дж/кг. Скорость ветра составляет 0,2 м/с.
На рис. 2 и 3 представлено изменение теплофизических свойств в гетерогенной системе «газ-твердое тело» с течением времени.
а б
Рис. 2. Распределение температуры газовой фазы в различные моменты времени: а — 1 с, б — 12 с
ИИ
1219е+03
918.74
689.06
459.37 З.СС0е+02
025
036
а б
Рис. 3. Распределение температуры твердой фазы в различные моменты времени: а — 1 с, б — 12 с
По распределению температуры газовой и твердой фаз (рис. 2, 3) видно, что прогрев верхних слоев хвойной подстилки осуществляется даже вдали от пламени, что свидетельствует о том, что теплопередача излучением играет существенную роль в процессе распространения пламени по слою лесной хвои. Также, следует отметить форму пламени в виде «Л» (два кончика пламени касаются твердого материала) (рис. 2, а), которая получается в результате диффузионного режима горения продуктов пиролиза хвои при распространении пламени. В результате, данный эффект приводит к образованию двух отдельных горячих участков хвойной подстилки (рис. 3, б). Созданная программная реализация разработанной методики расчета позволяет проводить исследования влияния основных физико-химических параметров протекающих процессов и теплофизических свойств горючего материала на характер распространения пламени.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-38-50179 молнр).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матюшин А. В. Пожары и пожарная безопасность в 2014 году: статистический сборник. М.: ВНИИПО, 2015. 124 с.
2. Korobeinichev O. P., Paletsky A. A., Tereshchenko A. G., Gonchikzhapov M. B., Shmakov A. G., Bezmaternykh D. D., Gulyaev I. P., Kataeva L. Yu., Maslennikov D. A., Liu N. The Study of Flame Spread along a Single Pine Needle and of its Structure // Flame Structure 2014 - 8th International Seminar on Flame Structure, Berlin Institute of Technology, September 21st - 24th, 2014. URL: http://flame-structure-2014.com/wp-content/uploads/Oleg-Korobeinichev.pdf (дата обращения 06.09.2016).
3. Korobeinichev O. P. The velocity and structure flame front at spread of fire across the pine needle bed. Experiment // Proceedings of 7th International Conference on Forest Fire Research, Advances in Forest Fire Research, 17-20 November 2014, Coimbra, Portugal, рр. 451-458. DOI: 10.14195/978-989-26-0884-6_52
4. Korobeinichev O., Tereshchenko A., Paletsky A., Shmakov A., Gonchikzhapov M., Chernov A., Kataeva L., Maslennikov D., Liu N. The Velocity and Structre of the Flame Front at Spread of Fire Across the Pine Needle Bed Depending on the Wind Velocity // Fire Science and Technology 2015. The Proceedings of 10th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology, 2016, рр. 771-779. DOI: 10.1007/978-981-10-0376-9_79
5. Morvan D., Dupuy J. L., Porterie B., Larini M. Multiphase formulation applied to the modeling of fire spread through a forest fuel bed // Proceedings of the Combustion Institute, 2000, vol. 28, pp. 2803-2809. DOI: 10.1016/S0082-0784(00)80702-X
6. Porterie B., Consalvi J.-L., Loraud J.-C., Giroud F., Picard C. Dynamics of wildland fires and their impact on structures // Combustion and Flame, 2007, vol. 149, pp. 314-328. DOI: 10.1016/j.combustflame.2006.12.017
7. Morvan D., Meradji S., Accary G. Physical modelling of fire spread in Grasslands // Fire Safety Journal, 2009, vol 44, no. 1, pp. 50-61. DOI: 10.1016/j.firesaf.2008.03.004
8. Karpov A., Shaklein A., Korepanov M., Galat A. Numerical Study of the Radiative and Turbulent Heat Flux Behavior of Upward Flame Spread Over PMMA // Fire Science and Technology 2015. The Proceedings of 10th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology, 2016, pp. 841-848. DOI: 10.1007/978-981-10-0376-9_86
9. Шаклеин А. А., Карпов А. И., Корепанов М. А. Моделирование распространения пламени по вертикальной поверхности горючего материала. Оценка вклада радиационного теплопереноса // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 2. С. 226-234.
NUMERICAL STUDY OF FIRE SPREAD OVER THE FOREST FUEL
1Korobeinichev O. P., 2Shaklein A. A.
institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
2Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. We developed a mathematical model of flame spread over porous combustible medium taking into account main physical and chemical processes. In order to predict heterogeneous system processes deep interaction, a computational algorithm based on a coupled formulation of the "gas phase -solid body of porous bed" system had been created. We carried out numerical simulations of the flame spread over porous medium bed and obtained qualitative estimations of flame spread general parameters. Gas and pine temperature distributions reveal heating process of pine needle bed far away from the flame zone, showing the important role of the radiative heat transfer. The flame zone takes "A"-shape because of diffusion combustion regime, leading to formation of distinct hot spot at the pine needle bed surface.
KEYWORDS: fire spread, porous combustible medium, forest fire, diffusion combustion, radiative heat transfer. REFERENCES
1. Matushin A. V. Pozhari I pozharnaya bezopasnost v 2014 godu: statistichesliy sbornik [Fire and fire safety in 2014: statistics]. Moscow: VNIIPO Publ., 2015. 124 p.
2. Korobeinichev O. P., Paletsky A. A., Tereshchenko A. G., Gonchikzhapov M. B., Shmakov A. G., Bezmaternykh D. D., Gulyaev I. P., Kataeva L. Yu., Maslennikov D. A., Liu N. The Study of Flame Spread along a Single Pine Needle and of its Structure. Flame Structure 2014 - 8th International Seminar on Flame Structure, Berlin Institute of Technology, September 21st - 24th, 2014. URL: http://flame-structure-2014.com/wp-content/uploads/0leg-Korobeinichev.pdf (accessed September 6, 2016).
3. Korobeinichev 0. P. The velocity and structure flame front at spread of fire across the pine needle bed. Experiment. Proceedings of 7th International Conference on Forest Fire Research, Advances in Forest Fire Research, 17-20 November 2014, Coimbra, Portugal, pp. 451-458. DOI: 10.14195/978-989-26-0884-6_52
4. Korobeinichev O., Tereshchenko A., Paletsky A., Shmakov A., Gonchikzhapov M., Chernov A., Kataeva L., Maslennikov D., Liu N. The Velocity and Structre of the Flame Front at Spread of Fire Across the Pine Needle Bed Depending on the Wind Velocity. Fire Science and Technology 2015. The Proceedings of 10th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology, 2016, pp. 771-779. DOI: 10.1007/978-981-10-0376-9_79
5. Morvan D., Dupuy J. L., Porterie B., Larini M. Multiphase formulation applied to the modeling of fire spread through a forest fuel bed. Proceedings of the Combustion Institute, 2000, vol. 28, pp. 2803-2809. DOI: 10.1016/S0082-0784(00)80702-X
6. Porterie B., Consalvi J.-L., Loraud J.-C., Giroud F., Picard C. Dynamics of wildland fires and their impact on structures. Combustion and Flame, 2007, vol. 149, pp. 314-328. DOI: 10.1016/j.combustflame.2006.12.017
7. Morvan D., Meradji S., Accary G. Physical modelling of fire spread in Grasslands. Fire Safety Journal, 2009, vol 44, no. 1, pp. 50-61. DOI: 10.1016/j.firesaf.2008.03.004
8. Karpov A., Shaklein A., Korepanov M., Galat A. Numerical Study of the Radiative and Turbulent Heat Flux Behavior of Upward Flame Spread Over PMMA. Fire Science and Technology 2015. The Proceedings of 10th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology, 2016, pp. 841-848. DOI: 10.1007/978-981-10-0376-9_86
9. Shaklein A. A., Karpov A. I., Korepanov M. A. Modelirovanie rasprostraneniya plameni po vertikalnoy poverhnosti goruchego materiala. Otsenka vklada radiatsionnogo teploperenosa [Simulation of the upward flame spread. Radiative heat transfer evaluation]. Himicheskaya phisika I mezoskopiya [Chemical physics and mesoscopy], 2014, vol. 16, no. 2, pp. 226-234.
Коробейничев Олег Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ИХКиГ СО РАН, e-mail: korobein@kinetics. nsc. ru
Шаклеин Артем Андреевич, младший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: mx.oryx@mail. ru
