CC BY
40
УДК 371.315
В.И. Гуменюк, М.В. Гравит, А.М. Кармишин
ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
V.I. Gumenuk, A.M. Gravit, A.M. Karmishin
PROBLEM QUESTIONS OF OPTIMIZATION MEANS AND METHODS FOREST FIRE EXTINGUISHING
В статье рассматриваются теоретические аспекты оптимизации средств и способов тушения лесных пожаров, наносящих большой материальный ущерб многим странам мира. В качестве средства тушения лесных пожаров рассматривается выливной авиационный прибор, а в качестве способа тушения — вылив огнетушащего состава из выливного прибора, расположенного на летательном аппарате.
ЛЕСНОЙ ПОЖАР; ВЫЛИВНОЙ ПРИБОР; ФАКТОРНЫЙ ЗАКОН ПРЕКРАЩЕНИЯ ОГНЯ; ОПТИМАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ОГНЕТУШАЩЕГО СОСТАВА; ПОЛИДИСПЕРСНОЕ ОБЛАКО; ПЛОТНОСТЬ ОТЛОЖЕНИЯ ОГНЕТУШАЩЕГО СОСТАВА; ОПТИМИЗАЦИЯ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ ТУШЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА.
In the article examines theoretical aspects of optimization means and ways of extinguishing forest fires, causing great physical harm to many countries around the world. As a means of extinguishing of forest fires regarded spray tanks, and as a fire extinguishing agent — extinguishing agent of the having poured out of the pouring of the device located on aircraft.
WILDFIRE; POURER APPLIANCE; FACTORIAL LAW; CEASEFIRE; OPTIMAL DENSITY; EXTINGUISHING AGENTS SHALL; POLYDISPERSITY OF CLOUD; DEPOSITION DENSITIES EXTINGUISHING AGENT; OPTIMIZATION MEANS AND WAYS FOREST FIRE EXTINGUISHING.
Тушение лесных пожаров — одна из проблем многих стран мира, в том числе и Российской Федерации. Актуальность и сложность ее связана с тем, что лесные пожары наносят большой материальный ущерб и требуют значительных материальных затрат на тушение.
Большие масштабы пожаров, их труднодо-ступность при тушении и зачастую отдаленность от населенных пунктов и водоемов требуют разработки методов, способов и средств тушения. Одним из перспективных способов тушения лесных пожаров является вылив воды с летательных аппаратов, для чего должны быть разработаны соответствующие средства — выливные приборы (ВП).
Рассмотрим некоторые теоретические вопросы тушения пожара, позволяющие оптимизировать технические характеристики ВП и способы их применения.
1. Используя некоторые аналогии с другими вопросами [1, 2], в рассмотрение можно ввести
такую количественную характеристику огнету-шащего состава, которая и будет определять возможность прекращения огня, как масса ог-нетушащего состава, подаваемая на единицу площади горения. Поскольку тушение пожара — стохастический процесс, то связь между вероятностью прекращения горения и количеством А, г-м-2, огнетушащего состава, подаваемого на единицу площади горения, может быть описана следующим образом (см. рис.):
(
1 + erf
50 У
(1)
где А 50 и ^/кПд — параметры закона.
Параметры закона (1) (А 50 — масса огнетушащего состава, подаваемая на единицу поверхности, при которой горение прекращается с вероятностью 0,5, и ^/к1пА ) зависят от многих факторов и должны устанавливаться экспериментально. При прочих равных условиях пара-
0
Л*
А
0,5
Р А'
1 + erf
50
- max, (2)
известно, при выливе из ВП жидких составов образуется полидисперсная система частиц. Как показал академик А.Н. Колмогоров [3], при дроблении среды любым способом распределение образующихся частиц по их размерам асимптотически стремится к логарифмическому нормальному закону, откуда следует, что и распределение массы образующихся частиц аэрозоля по их размерам также описывается логарифмическим нормальным законом
Зависимость вероятности прекращения горения от количества огнетушащего состава, подаваемого на единицу площади горения
метр закона (1) Л50 зависит от дисперсности частиц аэрозоля огнетушащего состава (воды).
Уже на уровне факторного закона прекращения горения (1) можно ввести в рассмотрение оптимальную плотность огнетушащего состава Лопт, подаваемую на единицу поверхности пожара. Под оптимальной понимается такая плотность Лопт, при которой вероятность прекращения горения в расчете на единицу плотности принимает максимальное значение, то есть
fm (d ) =
1
dm
Modd V2EG,n dd
ln-
2< d
(3)
где erf (u) = J e * dt — интеграл ошибок V^ o
Для нахождения оптимальной плотности Лопт найдем производную от уравнения (2) по Л и приравняем ее к нулю. Результаты численного решения уравнения (2) относительно оптимальной величины Лопт и соответствующей ей оптимальной вероятности прекращения горения представлены в таблице.
2. Формирование плотностей отложения огнетушащего состава при его выливе из ВП. Как
*0ии
где /т(й) — дифференциальная функция распределения массы вещества по размерам частиц (имеет размерность й-1); а 1пй — параметр закона (среднее квадратичное отклонение натурального логарифма й); й — диаметр частицы, выражаемый в единицах длины (наиболее часто размер частицы выражается в миллиметрах и микрометрах); йет — параметр закона (медианный размер частиц).
Среднемассовый диаметр йт образующихся при выливе частиц зависит от скорости полета самолета, диаметра выливного отверстия (йв), физико-химических характеристик (а — поверхностное натяжение, р — плотность, п — вязкость) огнетушащего состава, начальной скорости (относительно воздуха) вылива и, скорости вылива 0 и может быть рассчитан по формуле М.К. Баранаева
dm = 3,5
V0,01u '
(4)
Поскольку частицы различных размеров оседают под действием силы тяжести с различной скоростью, то из закона распределения массы частиц по их размерам следует закон распределения массы частиц по скоростям оседания /т(м?). Существуют три режима оседания частиц
Оптимальное значение параметров огнетушения
u
Vkln А 0,5 0,8 1,0 1,06 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 10,0
А опт А50 0,30 0,89 1,11 1,15 1,34 1,31 1,27 1,21 1,17 1,14
p * опт 0,20 0,45 0,56 0,58 0,80 0,87 0,91 0,95 0,96 0,97
аэрозоля: стоксовский, промежуточный и ньютоновский. Стоксовский режим оседания характерен для маленьких, легких частиц, у которых можно пренебречь силами лобового сопротивления. Ньтоновский режим оседания частиц под действием силы тяжести характерен для крупных частиц, имеющих большую поверхность, у которых можно пренебречь силами вязкости воздуха. Промежуточный режим оседания частиц наблюдается у не очень крупных, но и и не очень мелких частиц, у которых на скорость гравитационного оседания влияют и силы лобового сопротивления и силы вязкости воздуха. Скорость гравитационного оседания частицы может быть рассчитана по следующему уравнению:
ю =
31pd 2,
— область Стокса;
4,2 p°'715d1,145 — промежуточнаяобласть;
4,9 p°'5d °'5
— область Ньютона,
где ё — диаметр частицы, мм; р — плотность частицы, г-см-3; у — скорость гравитационного
оседания частицы, м-с
1
В дальнейшем образовавшаяся полидисперсная система частиц распространяется в атмосфере, формируя плотность отложения огнетушащего состава на поверхности земли, или в более общем случае — интегральный удельный поток примеси на высоте г. Исходя из теории оптимальных полей при выливе ог-нетушащего состава необходимо формировать линейный источник, расположенный перпендикулярно ветру. Плотность отложения полидисперсной системы частиц на поверхности земли может быть описана с использованием математических моделей рассеивания оседающей и взаимодействующей с подстилающей поверхностью монодисперсной примеси [410]. Так, для полидисперсной примеси А(х, у, г) =
= Моф(у)| у (х, 0, г, у, Н, р )/т (у(5)
где ф(у) и y(x,0, z, H, в) — функции, описывающие распределение огнетушащей примеси по осям у и z, имеющие соответственно размерность м-1 и с-м-1; fm (w) — плотность распределения массы образующихся при выливе частиц по скоростям гравитационного оседания, с-м-1 (описывается логарифмическим нормальным законом).
Если каждую точку поля плотностей распределения огнетушащей смеси перевести в вероятность прекращения горения, то получим некоторое поле вероятностей G(x, y, z), которое служит наиболее полным показателем качества выливного прибора. Интегральным показателем качества ВП является условная площадь S0, в пределах которой вероятность тушения пожара равна единице
S0 = JJG (x, y, z = const) dxdy.
0 0
При реальных условиях тушения лесных пожаров именно этот показатель требует оптимизации, а имено его максимизации.
Создание оптимальных плотностей огнету-шащего состава достигается применением нескольких летательных аппаратов, которые должны выливать огнетушащие составы с оптимальным смещением по оси х, в результате чего будет происходить наложение полей и формироваться оптимальная плотность отложения огнету-шащего состава.
Исходя из физического смысла S0 интегральный показатель качества ВП позволяет решать различные прикладные задачи, имеющие важное практическое значение:
оптимизировать технические характеристики ВП (диаметр выливного отверстия, скорость вылива и, соответственно, длину вылива);
для заданных условий пожара оптимизировать способ применения ВП — высоту вылива, скорость полета самолета;
рассчитывать необходимое количество средств (самолетовылеты) для тушения пожара.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кармишин А.М., Киреев В.А. Математиче-
ские методы фармакологии, токсикологии и ра-
диобиологии: монография. Изд. 2-е, перераб.
и доп. М.: ООО «АПР», 2011. 330 с.
2. Кармишин А.М., Киреев В.А. Карнюш-кин А.И. Оценка опасности воздействия опасных факторов пожара // Актуальные проблемы пожарной безопасности: Тезисы докладов XXI Меж-
дународной научно-практической конференции. Ч. 1. М.: Изд-во ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. С. 16-21.
3. Колмогоров А.Н. О логарифмически-нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении // ДАН СССР. 1941. Т. 31, № 2. С. 99.
4. Гандин Л.С., Соловейчик Р.Э. О распространении дыма из фабричных труб // Труды ГГО. Вып. 77.
5. Монин А.С. О граничном условии на поверхности земли для диффундирующей примеси в приземном слое воздуха при устойчивой стратификации // В кн.: Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: Изд-во иностр. литературы, 1962. С. 477-478.
6. Вызова Н.Л., Куценогий К.П. Влияние структуры приземного слоя атмосферы и граничного условия на величину дозы и плотность отложений аэрозольной примеси // Труды ИЭМ. 1976. Vol. 60. Вып. 15. С. 5-15.
7. Кармишин А.М., Карнюшкин А.И., Киреев В.А. Актуальные проблемы оценки простран-
ственно-временных показателей опасности техногенных аварий // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций: VIII научно-практическая конференция. 8-10 октября 2008 г. Доклады и выступления. СПб.: Изд-во УГПС МЧС России, 2009. С. 199-210.
8. Кармишин А.М., Киреев В.А., Гуменюк В.И. О количественных показателях опасности техногенных аварий // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. № 2(171). С. 289-299.
9. Кармишин А.М., Киреев В.А., Гуменюк В.И. Оценка пространственно-временных показателей опасности техногенных аварий // Безопасность в чрезвычайных ситуациях: сб. науч. тр. V всеросс. научно-практ. конф. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. С. 70-77.
10. Кармишин А.М., Киреев В.А. Карнюшкин А.И. [и др.] К вопросу об оценке опасных факторов пожара // Проблемы прогнозирования ЧС. — IX РПК 14-15 мая 2009 г. Проблемы прогнозирования ЧС. — М.: Центр «Антистихия», 2009. С. 158-163.
REFERENCES
1. Karmishin A.M., Kireyev V.A. Matematiches-kiye metody farmakologii, toksikologii i radiobiolo-gii: monografiya. Izd. 2-e, pererab. i dop. — M.: OOO «APR», 2011. 330 s. (rus.)
2. Karmishin A.M., Kireyev V.A., Karnyushkin A.I. Otsenka opasnosti vozdeystviya opasnykh fak-torov pozhara. Aktualnyye problemy pozharnoy bezo-pasnosti: Tezisy dokladov XXI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Ch. 1. M.: Izd-vo FGU VNIIPO MChS Rossii, 2009. S. 16-21. (rus.)
3. Kolmogorov A.N. O logarifmicheski-normal-nom zakone raspredeleniya razmerov chastits pri droblenii. DAN SSSR. 1941. T. 31, №2. S. 9. (rus.)
4. Gandin L.S., Soloveychik R.E. O rasprostrane-nii dyma iz fabrichnykh trub. — Trudy GGO. Vyp. 77. (rus.)
5. Monin A.S. O granichnom uslovii na pover-khnosti zemli dlya diffundiruyushchey primesi v prizemnom sloye vozdukha pri ustoychivoy stratifi-katsii. V kn.: Atmosfernaya diffuziya i zagryazneniye vozdukha. M. Izd-vo inostrannoy literatury, 1962. S. 477-478. (rus.)
6. Byzova N.L., Kutsenogiy K.P. Vliyaniye struk-tury prizemnogo sloya atmosfery i granichnogo us-loviya na velichinu dozy i plotnost otlozheniy aero-
zolnoy primesi. Trudy IEM. 1976. Vyp. 15 (60). S. 5-15. (rus.)
7. Karmishin A.M., Karnyushkin A.I., Kireyev V.A.
Aktualnyye problemy otsenki prostranstvenno-vremen-nykh pokazateley opasnosti tekhnogennykh avariy. Problemy prognozirovaniya chrezvychaynykh situatsiy. VIII nauchno-praktiches-kaya konferentsiya. 8—10okty-abrya 2008 g. Doklady i vystupleniya. SPb.: Izd-vo UGPS MChS Rossii, 2009. S. 199-210.
8. Karmishin A.M., Kireyev V.A., Gumenyuk V.I. O kolichestvennykh pokazatelyakh opasnosti tekhnogennykh avariy. Nauchno-tekhnicheskiye vedo-mosti SPbGPU. 2013. № 2(171). S. 291-299.
9. Karmishin A.M., Kireyev V.A., Gumenyuk V.I. Otsenka prostranstvenno-vremennykh pokazateley opasnosti tekhnogennykh avariy. Bezopasnost v chrez-vychaynykh situatsiyakh: sbornik nauchnykh tru-dov V vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2013. S. 70- 77. (rus.)
10. Karmishin A.M., Kireyev V.A., Karnyushkin
A.I. [i dr.]. K voprosu ob otsenke opasnykh faktorov pozhara. Problemy prognozirovaniya ChS. — IXRPK 14—15 maya 2009g. Problemy prognozirovaniya ChS. M.: Tsentr «Antistikhiya», 2009. S. 158-163. (rus.)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
ГУМЕНЮК Василий Иванович — доктор технических наук профессор заведующий кафедрой управления и защиты в чрезвычайных ситуациях Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: kaf-uzchs@ mail.ru
ГРАВИТ Марина Викторовна — кандидат технических наук доцент кафедры управления и защиты в чрезвычайных ситуациях Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: marina.gravit@mail.ru
КАРМИШИН Александр Михайлович — доктор технических наук профессор Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана; 105005, 2-я Бауманская ул., д. 5, г. Москва, Россия; e-mail: Vaxzk8chif@pochta.ru
AUTHORS
GUMENYUK Vasiliy I. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Polytechnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: kaf-uzchs@mail.ru
GRAVIT, Marina V. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Polytechnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: marina.gravit@mail.ru
KARMISHIN Alexander M. — Doctor of Science, Professor; Bauman Moscow State Technical University; 105005, 2-nd Bauman Str. 5, Moscow, Russia; e-mail: Vaxzk8chif@pochta.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2014
