Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

О ЗАВИСИМОСТИ МАССОВОГО РАСХОДА ВОДЫ ДЛЯ УСПЕШНОГО ТУШЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ ПРИЦЕЛА

Романова Н.А. 1 Лощилов А.А. 1 Беляев И.В. 1 Катаева Л.Ю. 1
1 ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
В данной работе предложена математическая модель тушения лесного пожара, на основе которой можно осуществлять анализ возможных сценариев развития ситуации в зависимости от выбора параметров задачи. В качестве точки прицела используется ближайшая к водной пушке по горизонтальной оси точка в слое леса, температура которой больше критического значения. При наличии нескольких точек, удовлетворяющих условию, в качестве прицела выбирается одна с наибольшей высотой. В статье приведена таблица зависимости критической интенсивности подачи воды в точку обстрела от критической температуры. В работе приведены результаты численного моделирования, показывающие, что оптимальной является зона, соответствующая 800 К. Изменение критического значения температуры в большую или меньшую сторону приводит к увеличению интенсивности подачи воды, необходимой для тушения.
математическое моделирование
пожар
свободная вода
лес
1. Алисов Б.П. Климатические области и районы СССР. – М., 1947.
2. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. – Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992. – 405 с.
3. Катаева Л.Ю. Применение понятий и методов механики жидкости и газа для решения некоторых актуальных задач экологии: дис. ... канд. физ.-мат. наук. – Томск: Томский гос. ун-т, 2000. – 180 с.
4. Катаева Л.Ю. Анализ динамических процессов аварийных ситуаций природного и техногенного характера: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. – Нижний Новгород, 2009. – 180 с.
5. Катаева Л.Ю. Постановка и проведение вычислительного эксперимента по исследованию аэро- и гидродинамических процессов в аварийных ситуациях природного и техногенного характера: монография. – М.: РГОТУПС, 2007. – 218 с.
6. Романова Н.А., Лощилов А.А. Математическое моделирование динамической подачи воды в зону лесного пожара равномерно по всему фронту // Перспективы развития науки: сборник статей Международной научно-практической конференции. 20 марта 2014 г. / отв. ред. А.А. Сукиасян. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. – С. 10–13.
7. Фридман Б.И., Кулинич Г.С. Геоморфология Шахунских Увалов // Геоморфология, 1981. – № 3. – С. 85–91; Геологические путешествия по горьковской земле – Горький: Волго-Вят. кн. изд-во 1990. – 192 с.

Проблема природных катаклизмов крайне важна, так как последствия данных явлений очень тяжелы во многих сферах жизни общества, как с точки зрения биологических жертв, так и с точки зрения экономического ущерба. В частности, к таким проблемам относят и проблему лесных пожаров. При возгорании леса, где убытки становятся колоссальными, в целых краях и областях объявляется режим чрезвычайного положения. Вследствие этого перед наукой стоит проблема моделирования пожаров и способов его тушения.

Лесной массив будем моделировать многофазной однотемпературной однородной пористой реагирующей средой [5]. Положим лес продуваемым массивом, по сравнению с объемной долей газовой фазы будем считать объёмную долю конденсированной фазы лесных горючих материалов пренебрежимо малой [2, 4]. Будем считать, что пожар начинается в условиях уже сформировавшегося поля скоростей. Температуру очага в течение заданного времени примем постоянной величиной, его форму будем считать прямоугольной, давление в начальный момент времени полагается равным атмосферному [3]. Процесс считаем независимым от координаты y. Расчеты проводились для характерных типов растительности Высокоборского лесхоза Нижегородской области [6]. Лес считается однородным по всей высоте. Предполагаем, что вода подается в точку прицела с заданной интенсивностью, а размер капель таков, что они долетают до цели и полностью испаряются.

Высокоборское лесничество находится в заволжской части Нижегородской области. Его географические координаты 56°30′ с. ш. и 44°50′ в. д. По ботанико-географическому районированию оно располагается в пределах подзоны хвойно-широколиственных (подтаежных) лесов. Преобладающими почвообразующими породами являются флювиогляциальные пески. Ландшафтная структура территории лесничества такова. В центральной его части распространены сосновые молодняки и болота на флювиогляциальных песках. Это зандровая равнина, сформированная во время таяния московского ледника. В северной части заповедника распространены леса со значительным участием неморальных видов, что обуславливается произрастанием их на двучленных отложениях, состоящих из моренного суглинка или супеси, перекрытых сверху истонченным плащом флювиогляциального песка [7]. Рельеф лесничества в основном равнинный, но встречаются нерезкие холмы и овраги. По климатическим условиям территория лесничества может быть отнесена к атлантико-континентальной климатической области [1]. Средняя температура января – –10 °С, июля – 18,1 °С, средняя годовая – 3,6 °С. Осадки выпадают преимущественно в теплый период года. Среднегодовое количество осадков составляет 628 мм.

Для моделирования тушения фронта пожара будем использовать характеристики водных пушек. Будем считать, что в наличии имеется достаточное количество пушек, расположенных вдоль всей линии фронта пожара с заданным интервалом так, чтобы вода подавалась с максимально эффективной интенсивностью. Считаем, что подача заданного количества воды водной пушкой осуществляется в точку прицела с разбросом по нормальному закону:

poman01.wmf

где x0(t), z0(t) – координаты точки прицела водной пушки; Wint – массовый расход воды на метр фронта, кг/(м·с); σ, м – среднеквадратическое отклонение, обуславливающее дальность разлёта частиц воды от точки прицела.

В качестве точки прицела используется ближайшая к водной пушке по оси x точка в слое леса, температура которой больше критической величины Tcr. В случае, когда несколько точек удовлетворяют данному условию, в качестве прицела выбирается точка с наибольшей высотой. Данная двумерная постановка своим главным достоинством имеет возможность выбора критического значения температуры и анализа алгоритмов подачи воды в область пожара, а также позволяет выбирать высоту подачи воды. Если вода подается недостаточно интенсивно, чтобы потушить пожар, пламя продвигается, но много медленней.

Рассмотрим динамику огня при Tcr = 450 К и Wint = 1,25 кг/(м·с). Результаты показали, что в данном случае при подаче такого количества воды тушения не происходит.

По мере распространения пламени несущественно меняются области высоких температур. В очаге пожара и потоке продуктов горения значительно возрастает скорость газовой фазы.

Расчеты показали, что для эффективного тушения при Tcr = 450 К необходимо Wint = 2,38 кг/(м·с). При таком раскладе точка разрыва фронта пожара появляется в момент времени 6 с. Потери энергии во фронте пожара на испарение попавшей воды приводят к замедлению скорости его распространения. Часть фронта огня в середине полога леса тушит вода при 6,8 с, причем оставшиеся части очага не могут выделить достаточной энергии для продолжения пожара и компенсации энергии, затраченной на испарение поступающей воды. Вследствие этого лесной пожар довольно быстро затухает.

Как показали расчеты, тушение пожара при Tcr = 800 К требует меньше воды (Wint = 1,73 кг/(м·с) и более эффективно. Динамика тушения при вышеописанных параметрах представлена на рис. 1.

Верхняя часть фронта пожара срезается на первоначальном этапе, но из-за того, что конвекция быстро разогревает верхнюю часть слоя лесных горючих материалов, это не ведет к тушению огня. В момент времени 1,2 с фронт пожара становится устойчивым. Однако уже при 1,6 с температура уменьшается, вследствие чего скорость распространения огня и способность противостоять поступающей воде уменьшаются. Как видно из рисунка, на момент времени 2,8 с, в нижней части фронта пожара имеет место вспышка, но так как там сконцентрирован обстрел водной пушкой, пламя затухает.

При Tcr = 1500 К динамика распространения пожара описана ниже, при этом Wint = 2,68 кг/(м·с). Разрыв фронта пожара происходит на начальном этапе подачи воды при 0,8 с, температура в верхней части полога леса значительно падает. В приземную зону перемещается прицел подачи воды при 1,6 с.

При температуре ниже 1500 К вода прекращает подаваться. Однако во фронте пожара температура достаточно высокая для возобновления горения, а в момент времени 2,4 с повышается по всей высоте огня. Прицел водной пушки перемещается в приземный слой, и температура в нём существенно снижается при 3,2–4,8 с, после чего распространение пламени прекращается, так как температура огня недостаточна для его продолжения.

Случай, когда интенсивность подачи воды выше и ниже критической, показан на рис. 2. До 0,3 с на графиках отсутствуют линии, так как на момент готовности водной пушки пожар вне зоны досягаемости струи воды.

pic_29.tifpic_30.tif

pic_31.tifpic_32.tif

pic_33.tifpic_34.tif

pic_35.tifpic_36.tif

Рис. 1. Динамика распространения пожара при Tcr = 800 К, Wint = 1,73 кг/(м·с)

pic_37.wmfаpic_38.wmfб

Рис. 2. Динамика движения точки прицела подачи воды при Tcr = 800 К:
а – Wint = 1,72кг/(м·с); б – Wint = 1,73кг/(м·с)

Рис. 2, а показывает, что при малой интенсивности подачи воды, точка прицела носит хаотичный характер. В таком случае классически точкой прицела выбираются точки из верхней части полога лесного массива. На рис. 2, б на начальном этапе подачи воды динамика точки прицела аналогична рис. 2, а, однако можно наблюдать достаточно долгий промежуток времени подачи воды в нижнюю часть фронта пожара (2–2,8 с) рис. 2, б. Малые температуры сосредоточены в нижней части полога лесного массива к моменту 2 с. Энергия в меньшей степени распространяется вверх из-за подачи воды, что тормозит распространение пожара.

Таблица демонстрирует результаты численных экспериментов по моделированию тушения пожара при помощи заданного потока воды в данной постановке.

Зависимость эффективности подачи воды в зависимости от значения критической температуры

Критическая температура, К

Критическая интенсивность подачи воды, кг/(м·с)

500

2,111

600

1,885

800

1,726

900

1,759

1500

2,677

Итак, полученные результаты показали, что тушение пожара максимально эффективно при температуре 800 К, а использование в качестве прицела точек с температурой ниже или выше 800 К приводит к увеличению интенсивности подачи воды. Это связано с тем, что вода расходуется на охлаждение растительности в кромке пожара.

Если в данную область не подавать воду, то часть энергии теряется за счет внешнего поля скоростей. Выбор зоны низких температур в качестве точки прицела не ведет к сильному росту необходимой интенсивности подачи воды. Если точкой обстрела принять область высоких температур, то есть ядро очага, тогда энергия, затрачиваемая на излучение, приводит к уменьшению рассеивания.

Важно отметить, что интенсивность излучения, в соответствии с законом Стефана ‒ Больцмана, пропорциональна четвёртой степени температуры, что предполагает увеличение интенсивности подачи воды. Распространение лучистой энергии происходит менее интенсивно, это ведет к уменьшению её потерь и некоторому торможению распространения пожара. Увеличение количества воды позволяет остановить распространение пожара.

Рецензенты:

Петрухин Н.С., д.ф.-м.н., ординарный профессор Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», г. Нижний Новгород;

Карпухин В.Б., д.ф.-м.н., доцент, профессор Московского государственного университета путей сообщения, Российская открытая академия транспорта, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 07.05.2014.


Библиографическая ссылка

Романова Н.А., Лощилов А.А., Беляев И.В., Катаева Л.Ю. О ЗАВИСИМОСТИ МАССОВОГО РАСХОДА ВОДЫ ДЛЯ УСПЕШНОГО ТУШЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ ПРИЦЕЛА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-7. – С. 1380-1383;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34345 (дата обращения: 12.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074