CC BY
28
УДК 614.8
К.А. Ковтун, С. О. Потапова
Воронежский институт-филиал ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
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.
Ключевые слова: 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.
К.A. Kovtun, S. О. Potapova
PROBLEM QUESTIONS OF OPTIMIZATION MEANS AND METHODS FOREST FIRE EXTINGUISHING
The article discusses the theoretical aspects of optimizing the means and methods of extinguishing forest fires that cause great material damage to many countries of the world. As a means of extinguishing forest fires, a pourer instrument is considered, and as a method of extinguishing, poured out an extinguishing agent from a pourer located on an aircraft.
Keywords: forest fire, pourer, factorial ceasefire, optimal density of fire extinguishing composition, polydisperse cloud, density of deposition of fire extinguishing composition, optimization of means and methods of extinguishing a forest fire.
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 труднодоступность 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 огнетушащего состава, которая и будет определять возможность прекращения огня, как масса огнетушащего состава, подаваемая на единицу площади горения. Поскольку тушение пожара - стохастический процесс, то связь между вероятностью прекращения горения и количеством Д г м-2, огнетушащего состава, подаваемого на единицу площади горения, может быть описана следующим образом (см. рис.):
Р(Д)= ix[l + erfx(VK^xIn^-)] (1)
Где Д50 и 7к1пД - параметры закона.
Параметры закона (1) (Д50 — масса огнетушащего состава, подаваемая на единицу поверхности, при которой горение прекращается с вероятностью 0,5, |и yKlnA ) зависят от многих факторов и должны устанавливаться экспериментально. При прочих равных условиях параметр закона (1) Д50 зависит от дисперсности частиц аэрозоля огнетушащего состава (воды).
Уже на уровне факторного закона прекращения горения (1) можно ввести в рассмотрение оптимальную плотность огнетушащего состава Допт, подаваемую на единицу поверхности пожара. Под оптимальной понимается такая плотность Допт, при которой вероятность прекращения горения в расчете на единицу плотности принимает максимальное значение, то есть
р 0,5x[l+erfx(7K]n¿ xIn-^-)j
- = -1-^ = шах (2)
д д v '
Где (u) = х /о e_t х d - интеграл ршибок
Для нахождения оптимальной плотности Допт найдем производную от уравнения (2) по Д и приравняем ее к нулю. Результаты численного решения уравнения (2) относительно оптимальной величины Допт и соответствующей ей оптимальной вероятности прекращения горения представлены в таблице.
2. Формирование плотностей отложения огнетушащего состава при его выливе из ВП. Как 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
fm(d)=^T7=^--хе-^ (3)
mv у M0xdd л/2тГ XCT]n(jXd 2CTlnd
где fm(d) - дифференциальная функция распределения массы вещества по размерам частиц (имеет размерность d-1); olnd - параметр закона (среднее квадратичное отклонение натурального логарифма d); d - диаметр частицы, выражаемый в единицах длины (наиболее часто размер частицы выражается в миллиметрах и микрометрах); dem — параметр закона (медианный размер частиц).
Среднемассовый диаметр dm образующихся при выливе частиц зависит от скорости полета самолета, диаметра выливного отверстия (de), физико-химических характеристик (о - поверхностное натяжение, р - плотность, г| - вязкость) огнетушащего состава, начальной скорости (относительно воздуха) вылива и, скорости вылива Q и может быть рассчитан по формуле М.К. Баранаева
= 3,5 х ( 1-Г-+ 1,4 х р.) х 6(4)
т 4 I и хр -\|иР \0,01хи 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 йп(\у). Существуют три режима оседания частиц аэрозоля: стоксовский, промежуточный и ньютоновский. Стоксовский режим оседания характерен для маленьких, легких частиц, у которых можно пренебречь силами лобового сопротивления. Ньтоновский режим оседания частиц поддействием 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:
о) = 31pd2 — область Стока
о) = 4,2р0,715 d1,145 — промежуточная область
о) = 4,9р0,5 d0,5 — область Ньютона
где d - диаметр частицы, мм; р - плотностьчастицы, гсм-3; w - скорость гравитационного оседания частицы, мс-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 z. Исходя из теории оптимальных полей при выливе огнетушащего 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 [4-10]. Так, для полидисперсной примеси
Д(х, у, z) = М0ф(у) /"(х, 0, z, Н, |3)fm(w)dw (5)
где ф(у) и \|/ (x,0,z,H,P) - функции, описывающие распределение огнетушащей примеси по осям у и z, имеющие соответственно размерность м-1 и см-1; f w (m) -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, у, z), которое служит наиболее полным показателем качества выливного прибора. Интегральным показателем качества ВП является условная площадь SO, в пределах которой вероятность тушения пожара равна единице
оо оо
S0 = J J G x (x, у. z = const) x dxdy
о 0
При реальных условиях тушения лесных пожаров именно этот показатель требует оптимизации, а имено его максимизации.
Создание оптимальных плотностей огнетушащего 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 огнетушащего состава.
Исходя из физического смысла SO 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 A.M., Киреев В.А. Математические методы фармакологии, токсикологии и радиобиологии: монография. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: |000 «АПР», 2011. -330 с.
2. Кармишин A.M., Киреев В.А. Карнюшкин А.И. Оценка опасности воздействия опасных факторов пожара // Актуальные проблемы пожарной безопасности: Тезисы докладов XXI Международной 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 A.C. 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 пространственно-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 A.M., 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 Политехи, ун-та, 2013. - С. 70-77.
10. Кармишин A.M., 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.
УДК 628.143
С. В. Козионов
ФГКУ «Специальное управление ФПС № 16 МЧС России»
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА В РОССИИ
Развитие новых технологий в промышленности, вывод новых производств, огромные выбросы в атмосферу вредных элементов зачастую приводят к авариям техногенного характера. В статье приводятся проблемы, связанные с обеспечение безопасности при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.
Ключевые слова: экология, техногенная авария, проблемы, чрезвычайные ситуации, безопасность, природа, ситуация
S. V. Kozionov
