Научная статья на тему 'Детерминированная компонента методики прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам'

Детерминированная компонента методики прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
65
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ЗАЖИГАНИЕ / ЛЕСНОЙ ГОРЮЧИЙ МАТЕРИАЛ / ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ / СТЕКЛО / СФОКУСИРОВАННОЕ СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ / ПРОГНОЗ / IGNITION / FOREST FUEL / CHEMICAL REACTION / GLASS / FOCUSED SUNLIGHT / FORECAST

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Кузнецов Г. В., Барановский Н. В.

Представлена математическая модель зажигания слоя лесного горючего материала (ЛГМ) сфокусированным потоком солнечного излучения. Рассмотрена плоская постановка задачи в декартовой системе координат. Установлены условия зажигания слоя ЛГМ в зависимости от интенсивности излучения. Выделены методологические вопросы прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Кузнецов Г. В., Барановский Н. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Deterministic Component of Forest Fire Danger Forecast Technique for Unstated Reasons

Mathematical model of the forest fuel layer ignition by focused flow of sunlight is submitted. Flat statement of the problem in cartesian system of coordinates is considered. Ignition conditions of the forest fuel layer are established depending on intensity of radiation. Methodological questions of the forest fire danger forecast for unstated reasons are discussed.

Текст научной работы на тему «Детерминированная компонента методики прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ

Г. В. Кузнецов

д-р физ.-мат. наук, профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия

Н. В. Барановский

канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель, докторант Национального исследовательского Томского политехнического университета, г.Томск, Россия

УДК 533.6

ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ КОМПОНЕНТА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПО НЕУСТАНОВЛЕННЫМ ПРИЧИНАМ*

Представлена математическая модель зажигания слоя лесного горючего материала (ЛГМ) сфокусированным потоком солнечного излучения. Рассмотрена плоская постановка задачи в декартовой системе координат. Установлены условия зажигания слоя ЛГМ в зависимости от интенсивности излучения. Выделены методологические вопросы прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам.

Ключевые слова: зажигание; лесной горючий материал; химическая реакция; стекло; сфокусированное солнечное излучение; прогноз.

Введение

Как известно [1], лесные пожары наносят масштабный экологический и экономический ущерб, а также приводят к гибели людей и разрушению населенных пунктов. В связи с этим можно выделить три основные задачи теории лесных пожаров: прогноз лесной пожарной опасности, оценка текущей пожарной ситуации, прогноз распространения фронта низового или верхового пожара. Можно обоснованно утверждать, что решающая стадия лесного пожара — это процесс возгорания ЛГМ, который условно во времени можно разделить на две стадии: сушки и непосредственного зажигания ЛГМ природным или антропогенным источником. В катастрофических погодных условиях процессы испарения влаги можно не рассматривать, и в этом случае лесная пожарная опасность целиком ограничивается стадией зажигания ЛГМ.

В статистике значительная доля лесных пожаров возникает по неустановленным причинам [2]. В последнее время разработан вероятностный критерий оценки лесной пожарной опасности с учетом природных, антропогенных и неустановленных при-

* Авторы благодарят д-ра физ.-мат. наук, проф., заведующего лабораторией Института теплофизики СО РАН В. С. Бердни-кова за предоставленную информацию о реальных примерах возгорания ЛГМ под действием сфокусированного стеклянными емкостями и каплями смолы солнечного излучения.

© Кузнецов Г. В., Барановский Н. В., 2011

чин [3]. На основании анализа статистической информации можно считать, что значительная доля возгораний по неустановленным причинам может быть обусловлена воздействием на ЛГМ потоков сфокусированного солнечного излучения.

Цель исследования — численное моделирование зажигания слоя ЛГМ в результате воздействия сфокусированного потока солнечного излучения и разработка рекомендаций по созданию подсистемы оценки лесной пожарной опасности по неустановленным причинам.

Постановка задачи

Рассматривается рыхлый и пористый слой ЛГМ [4]. Одна из задач исследования — оценка влияния пористой структуры слоя ЛГМ и проникновения излучения в глубь слоя на процессы тепломассопе-реноса, предшествующие зажиганию. Согласно [5] предполагается, что проникновение излучения в слой происходит по закону Бугера-Ламберта-Бера. Там же приведены экспериментально определенные коэффициенты ослабления, в том числе для слоя хвои. Математическая модель зажигания пористого слоя ЛГМ формулируется с учетом проникновения излучения в слой. Объемная доля сухого органического вещества в реальном слое ЛГМ меняется в пределах 0,03 < ф1 < 0,06 [5]. Предполагается, что на слой ЛГМ локально действует поток сфокусированного солнечного излучения. В результате этого

воздействия слой ЛГМ прогревается и термически разлагается с образованием газообразных и твердых продуктов пиролиза. Состав газообразной части продуктов пиролиза принимается однокомпонент-ным. В качестве эффективного горючего принимается моноксид углерода. Согласно [6] в состав продуктов пиролиза могут также входить и другие газы, например водород и метан. Однако их доля от общего объема мала по сравнению с долей моно-ксида углерода, которая при пиролизе ЛГМ при температуре 573 К составляет 40,7 % [7]. При более высоких температурах содержание этого горючего газа также значительно. В связи с этим возможно описание кинетики окисления газообразных продуктов пиролиза одной брутто-реакцией: 2СО + + О2 ^ 2СО2.

Принята следующая физическая модель процесса. Состав газовой смеси в области над ЛГМ принимается трехкомпонентным (горючее — моноксид углерода; окислитель — кислород; инертные компоненты). Газообразные продукты пиролиза диффундируют в область газовой смеси. При определенных температуре и концентрациях реагирующих газов происходит зажигание смеси. Приняты следующие критерии зажигания: 1) теплоприход от химической реакции превышает тепловой поток от нагретой поверхности в область газовой смеси; 2) температура в газовой смеси достигает критического значения. На рис. 1 представлена геометрия области решения.

Процесс зажигания слоя ЛГМ сфокусированным потоком солнечного излучения описывается системой двумерных нестационарных нелинейных уравнений теплопроводности и диффузии (1)-(2), (12), (18) с соответствующими начальными и граничными условиями. Численная реализация проведена с использованием локально-одномерного конечно-разностного метода [8]. Разностные аналоги одномерных уравнений теплопроводности и диффузии решены методом прогонки в сочетании с методом простой итерации [9].

Уравнение энергии для слоя ЛГМ: дГ1

Р е/Се/ ~

Г д 2Т1 д 2Г1 л

у дх 2 дг 2

- Чп^Р 1Ф1 *

Г Е I (1)

* 6ХР ^ ~ЯТ ) + (1 -ф1) Ч° еХр(-^г Р е/2 ).

Уравнение энергии для газовой смеси:

+ 45(1 -V5)Л5. (2)

дТ2 . Р 2 С2~д^ = Х 2

Гд2Т2 д2т2 I

Го: Г1: Г2: Г3.1:

Г3.2:

Г4.1:

Г4.2:

дх дг

Граничные условия для уравнений (1)-(2):

дТ

«1 (Т - Те* ) = "д! ;

л дТ, л дТ2 ^ ^

= Х2 + Ф1 Ч* > Т1 = Т2; дг дг

«2(Теа - Т) = ^2 ^ '

X ^ = о;

дх

Т1 = Т1*; = 0;

X дТ2

дх

дТ2

« 2 (Теа - Т) =Х 2 -Х-дх

Начальные условия для уравнений (1)-(2):

Тг'1г = 0 = Тг'0> * 1' 2.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9) (10)

Кинетическое уравнение и начальное условие:

дф1 , Г Е1 I

Р1 = -к1Р1 Ф1 ехР| I;

дг

(11)

Ф11 = 0 =Фн>; £ф г = 1

г = 1

Уравнение диффузии для окислителя:

дС 4 дг

= Б

г-2с4 д2С41

дх2

дг2

м

м

Я 5. (12)

1 4.1

1 3.1

Газовая смесь Сфокусированное солнечное излучение и V | | | и 1 ' Г!

Слой ЛГМ

Слой почвы Г,

1 4.2

13.2

0

Рис. 1. Геометрия области решения: Г — границы областей решения и слоев

Г1: Г2: Г4.1:

Г4.2:

Граничные условия для уравнения (12):

РБ -С4 = 0; (13)

РБ -С4 = 0; (14)

рБ = 0; (15)

дх

РБ = 0. (16)

дх

Начальные условия для уравнения (12):

С 41 г = 0 = С 4,0. (17)

Уравнение диффузии для горючих компонентов пиролиза:

5С5 д1

= Б

дх 2

д 2С. 1т2

\

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- Я,

Г1:

Граничные условия для уравнения (18):

дс 5

Г2:

рБ рБ рБ рБ

дг дС 5 дг дС 5 дх дС 5 дх

= У

5;

= 0;

= 0;

= 0.

Начальные условия для уравнения (18):

С 5\t = 0 = С 5,0. Уравнение баланса массы:

6

X С = 1.

г = 4

Начальные условия для уравнения (24):

С6\t = 0 = С 6,0. Выражение для массовой скорости реакции

(18)

(19)

(20) (21) (22)

(23)

(24)

(25)

Я5 [10]:

Я5 = к5М5Т~2,25 ехр

ЯТ

х 0,25 х

х1 > 0,05.

1 ■'"2, х1 х2, х1 < 0,05

Сг

хг =

(26)

(27)

Х — мг

Мг к = 4Ш к

Здесь Т, Рг, сг, Хг — температура, плотность, теплоемкость, теплопроводность (1 — слоя ЛГМ, 2 — воздуха); С , М — концентрация и молярная масса (4 — окислителя, 5 — горючего газа, 6 — инертных компонентов воздуха); х,г — пространственные координаты; — тепловой эффект реакции пиролиза ЛГМ; к1 — предэкспонент реакции пиролиза ЛГМ; Ф1 — объемная доля сухого органического вещества ЛГМ; Е1 — энергия активации реакции пиролиза ЛГМ; Я — универсальная газовая постоянная; qs — поток сфокусированного солнечного излучения; кг — коэффициент ослабления; t — временная координата; q5 — тепловой эффект реакции окисления оксида углерода; у5 — доля теплоты, поглощенная слоем

ЛГМ; Я

массовая скорость реакции окисления

оксида углерода; а1 — коэффициент теплопередачи; а2 — коэффициент теплоотдачи; Б — коэффи-

циент диффузии; У5 — поток массы горючих продуктов пиролиза; к5 — предэкспонент реакции окисления оксида углерода; Е5 — энергия активации реакции окисления оксида углерода; хг — вспомогательная переменная; еу, еа, 0, в/ — индексы, соответствующие параметрам окружающей среды в почве, воздухе и в начальный момент времени, а также эффективным характеристикам.

При численном моделировании использованы следующие исходные данные: р1 = 500 кг/м3; р2 = = 0,1 кг/м3; с1 = 1400 Дж/(кг-К); с2 = 1200 Дж/(кг-К); Х1 = 0,102 Вт/(мК); Х2 = 0,1 Вт/(мК); qp = 1000 Дж/кг; к1 = 3,63 104; Е1/Я = 9400 К; ф1>0 = 1; q5 = 107 Дж/кг; к5 = 31013 с-1; Е5/Я = 11500 К; у5 = 0,3; а1 =20Вт/(м2К); а2 = 80 Вт/(м2К); Б = 10-6; М4 = 0,032; М5 = 0,028; ММ6 = 0,044; кг = 5,1 м2/кг.

Результаты и обсуждение

В таблице представлены значения времени задержки воспламенения, а также известные экспериментальные данные [11]. Их сравнение показывает, что прохождение солнечного излучения через природный или антропогенный концентратор с 10-кратным усилением интенсивности естественного излучения [12] может привести к возникновению лесного пожара.

Среднее отклонение результатов численного моделирования от экспериментальных данных [11] составило не более 40 %. Проведены численные исследования по определению времени задержки воспламенения ЛГМ с использованием двумерной модели тепломассопереноса в предположении отсутствия пор и, соответственно, переноса энергии за счет излучения в слое ЛГМ при прочих равных условиях. Получены зависимости tign, которые характерны и для одномерных моделей. При тепловом потоке qs от 30 кВт/м2 и выше значения времени задержки воспламенения несколько больше экспериментальных. Полученные значения tign можно считать удов-

Времена задержки воспламенения слоя ЛГМ сфокусированным солнечным излучением

Тепловой Время задержки воспламенения с

поток qs, кВт/м2 Расчет двумерной модели Эксперимент

при наличии пор без пор [11]

15 144 99 Нет зажигания

20 98 62 197-207

25 64 33 93-100

30 53 26 40-42

35 46 21 27-30

40 42 18 18-26

Г

Г

0,08

Рис. 2. Распределение температуры в системе слойЛГМ-газовая смесь в момент зажигания при ч* = 40 кВт/м2

летворительными с точки зрения соответствия теоретических результатов экспериментальным данным.

Типичное распределение температуры в плоскости Охг в системе слой ЛГМ- газовая смесь в момент зажигания представлено на рис. 2. Пик натем-пературной поверхности соответствует месту локализации химической реакции окисления моно-ксида углерода до диоксида углерода. Критерии зажигания выполняются в центре участка воздействия сфокусированного солнечного излучения. В отличие от модели непрозрачного слоя в случае пористого ЛГМ градиенты температур на границах области воздействия излучения не такие большие. Это объясняется, с одной стороны, тем, что слой ЛГМ имеет рыхлую структуру и излучение проникает в глубину слоя, а с другой — увеличением ширины прогрева на границе слоя ЛГМ, где воздействует тепловой поток. Поскольку время задержки увеличивается, то продукты пиролиза диффундируют на большее расстояние по сравнению с моделью непрозрачного слоя. Экзотермическая реакция окисления моноксида углерода кислородом воздуха протекает в более обширной области. На рис. 3 представлено распределение объемной доли сухого органического вещества в плоскости Охг в момент зажигания. Можно также сделать вывод, что зона пиролиза ЛГМ в случае пористого слоя имеет меньшие градиенты объемной доли сухого органического вещества.

Согласно дифференцированной модели оценки пожарной опасности в лесу [3] вероятность возникновения лесного пожара по неустановленной причине Р(ЛП) определится по выражению

Р(ЛП) = Р(А) Р(АМ /А) Р(ЛП/А, А-,,),

0,0175 - о 0,0200

Рис. 3. Распределение объемной доли сухого органического вещества в момент зажигания при qs = 40 кВт/м2

где P(A) — вероятность антропогенной нагрузки; P(Aj t/А) — вероятность наличия концентратора энергии на лесной территории; Р(ЛП/А, А, ) = P(C) Р(3п/с) — условная вероятность возникновения лесного пожара по неустановленной причине;

P(C) — вероятность того, что ЛГМ сухой (определяется по детерминированной модели сушки слоя ЛГМ под воздействием внешних условий

[13]);

P(3jj/C) — вероятность воспламенения ЛГМ сфокусированным источником солнечного излучения.

Для определения вероятности воспламенения в нашем случае следует использовать численное моделирование. Предлагается определять вероятность через частоту событий [14]:

Р (3П/ C) = N Зп/ N зи,

где N3n — число исходов численного моделирования, которые привели к зажиганию слоя ЛГМ; N3H—общее число сценариев численного моделирования зажигания слоя ЛГМ сфокусированным потоком солнечного излучения. Для каждого сценария входные параметры задаются с помощью генератора псевдослучайных чисел.

Выводы

В результате исследования разработана детерминированная математическая модель зажигания пористого слоя ЛГМ сфокусированным потоком солнечного излучения. Модель может быть использована в качестве компоненты в детерминированно-вероятностной методике прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.

2. Янко И. В. Пирологическая оценка территории Томской области : дис.... канд. геогр. наук. — Томск : Томский государственный педагогический университет, 2005. — 174 с.

3. Барановский Н. В., Кузнецов Г. В. Конкретизация неустановленных причин в детерминиро-ванно-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности // Пожаровзрывобез-опасность. — 2011. — Т. 20, № 6. — С. 24-27.

4. Курбатский Н. П. Исследование свойств и количества лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. ИЛиД СО АН СССР. — Красноярск, 1970. — С. 5-58.

5. Гришин А. М., Зима В. П., Кузнецов В. Т., Скорик А. И. Зажигание лесных горючих материалов потоком лучистой энергии // Физика горения и взрыва. — 2002. — Т. 38, № 1. — С. 30-35.

6. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. — Новосибирск : Наука, 1992. — 408 с.

7. ПерелыгинЛ. М. Древесиноведение. — М. : Наука, 1957. — 252 с.

8. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. — М. : Наука. 2001. — 320 с.

9. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1983. — С. 33-36.

10. Гришин А. М., Шипулина О. В. Математическое моделирование распространения вершинных лесных пожаров в однородных лесных массивах и вдоль просек // Физика горения и взрыва. — 2002. — Т. 38, № 6. — С. 17-29.

11. Касперов Г. И., Гоман П. Н. Исследование пожароопасных свойств лесных горючих материалов сосновых насаждений // Тр. БГТУ. Сер. II: Лесная и деревообрабатывающая промышленность. — 2010. — Вып. XVIII. — С. 337-340.

12. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 20 (Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край). — СПб. : Гидрометео-издат, 1993. —718 с.

13. Гришин А. М., Барановский Н. В. Сравнительный анализ простых моделей сушки слоя ЛГМ, включая данные экспериментов и натурных наблюдений // Инженерно-физический журнал.

— 2003. — Т. 76, № 5. — С. 166-169.

14. Назаров А. А., Терпугов А. Ф. Теория вероятностей и случайных процессов : учебное пособие.

— Томск : Изд-во НТЛ, 2006. — 204 с.

Материал поступил в редакцию 18 августа 2011 г.

Электронный адрес авторов: [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.