Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальность темы и востребованность результатов работы связана с ростом числа природных пожаров с тяжелыми последствиями как для экологии, так и для хозяйственной деятельности человека, которые вызваны как природными явлениями, так и возросшей антропогенной нагрузкой. Примерами таких пожаров, которые можно приравнивать к чрезвычайным ситуациям, приведшим к катастрофическим последствиям и значительному материальному ущербу, могут являться лесные и торфяные пожары в Европейской части России в июле и начале августа 2010 года и летом 2012 г. в Томской области и Красноярском крае, пожары в Греции (2007, 2009 г.г.), в Австралии (2009 г.), в США (2008, 2009, 2011 гг.), а также пожар в мае 2000 г., в г. Лос-Аламос (США), в результате которого было уничтожено около 500 домов, все население города было эвакуировано, а деятельность знаменитой Лос-Аламосской лаборатории была под угрозой и велась в особом режиме.
На возникновение и распространение природных пожаров влияет большое количество факторов как климатических, так и связанных с деятельностью человека. В последние годы, в связи с активным обсуждением вопросов изменения климата, особое внимание к природным пожарам вызвано их влиянием на приземный слой атмосферы посредством выбросов значительных концентраций аэрозолей и газообразных продуктов горения. Так, например, по состоянию на 4 августа 2010 года облако от дыма лесных пожаров в Европейской части России по данным NASA достигало ширины в 3 000 км и поднялось на высоту около 12 км.
В данной работе приводятся результаты математического и физического моделирования сушки слоя лесных горючих материалов (ЛГМ). Приведены математическая модель сушки слоя ЛГМ, которая использовалась для решения сопряженной задачи с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ, а также предложены упрощенные математические модели, применение которых позволит делать опережающие прогнозы возникновения пожарной опасности. Кроме того, приводятся результаты экспериментальных исследований воспламенения и горения торфа, возникновения степных и полевых пожаров в результате чего получены параметры воспламенения, характеристики фронта горения. Необходимо отдельно отметить приведенные в данной работе результаты исследований характеристик пламени при горении растительных горючих материалов в инфракрасном (ПК) диапазоне. Были впервые выявлены характерные частоты изменения температуры в пламени, вызванные его неоднородной структурой, приведены результаты влияния пламени на регистрацию экранированных пламенем высокотемпературных объектов методами ПК-диагностики.
Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании сушки ЛГМ с использованием различных математических моделей, в том числе в сопряженной постановке с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ, выборе оптимальной модели сушки ЛГМ, исследовании возникновения и распространения лесных, степных
и торфяных пожаров, определении характеристик фронта горения, исследовании характеристик пламени при горении растительных горючих материалов при помощи методов ИК-диагностики и изучении особенностей регистрации высокотемпературных объектов в среднем ИК-диапазоне.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
-
В результате экспериментальных исследований сушки ЛГМ с использованием дозвуковой аэродинамической трубы МТ-324 впервые было установлено, что угол наклона плоскости слоя ЛГМ к горизонту в пределах 0<а<20 для ламинарного потока воздуха, скорость которого меняется в пределах от 0 м/с до 0.7 м/с, и плотность укладки элементов ЛГМ в пределах ps=(44.5-l 10.6) кг/м3 слабо влияют на процесс сушки.
-
Экспериментально найдены условия, при которых возможно распространение фронта низового лесного пожара от первоначального очага возгорания слоя ЛГМ.
-
Путем сравнения результатов математического моделирования с экспериментальными данными было установлено, что наиболее точной постановкой, адекватно описывающей ход суточных и сезонных изменений температуры воздуха, а также действия ветра и солнечного излучения, является двухтемпературная математическая модель, для построения которой использовалась теория процессов переноса в многофазных средах (Нигматулин Р.И., 1987) и представления о сопряженном тепло- и массообмене (Лыков А.В., 1968).
-
На основе анализа экспериментальных и численных результатов было показано, что внутри слоя ЛГМ отсутствует продольное течение газа, т.к. этот слой расположен ниже уровня шероховатости и на этом основании дана более простая модель квазиизотермической сушки.
-
Установлено, что осреднение уравнений тепло- и массоопереноса по высоте слоя ЛГМ не приводит к существенной погрешности в определении времени сушки слоя ЛГМ, что согласуется с анализом погрешности этого метода (Вольперт А.И., Худяев СИ., 1975).
-
Определены значения энергии воспламенения и критического влагосодержания для некоторых полевых растений, получены характерные значения и профили температуры внутри фронта горения степных и полевых пожаров с использованием ИК-методов измерения температуры.
-
Экспериментально установлено влияние ветра на геометрические характеристики факела пламени при степном пожаре и влияние ветра на скорость распространения фронта степного пожара, а также влияние фронта горения на деревянные ограждения и приземный слой атмосферы.
-
Экспериментально получены критические значения плотности энергии для воспламенения различных сортов торфа при помощи интенсивного теплового излучения. Определен коэффициент излучения для тлеющей поверхности торфа в спектральном диапазоне 2,5-2,7 мкм.
-
Получены частотные характеристики изменения температуры в пламени при горении степных горючих материалов как в лабораторных, так и в натурных условиях. Установлены характерные частотные максимумы в
диапазоне 2-7 Гц изменения температуры в пламени при скоростях ветра до 5 м/с.
-
Экспериментально определено влияние пламени при горении растительных горючих материалов на регистрацию высокотемпературных объектов в ближнем ПК-диапазоне.
-
Найдены коэффициенты ослабления пламени в диапазоне 2,5-2,7 мкм и установлена связь между регистрируемой энергетической яркостью объекта, истинной энергетической яркостью объекта и энергетической яркостью пламени.
Практическая значимость работы состоит в следующем: В выборе оптимальной математической модели сушки слоя ЛГМ, с одной стороны удовлетворяющей принципу равной точности, согласно которому точность входных данных (сведения о погоде, о структуре слоя ЛГМ, термокинетических постоянных, характеризующих высушивание ЛГМ), в основном определяет точность результатов математического моделирования, а с другой стороны позволяющей делать прогноз времени сушки (времени достижения критического влагосодержания ЛГМ) при возможно меньших затратах машинного времени.
Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований используются для проверки математических моделей возникновения и распространения природных пожаров и получения практических рекомендаций.
Представленные результаты по регистрации высокотемпературных объектов в среднем ПК-диапазоне позволяют упростить измерение температур при проведении экспериментальных исследований и повысить их точность при использовании тепловизоров, что в конечном счете позволит отказаться от использования большого количества термопар. Полученные результаты успешно использовались при выполнении грантов и федеральных целевых программ: «Интеграция» (проект «Академический университет»), «Университеты России» - фундаментальные исследования, грантов РФФИ № 99-01-00363-а «Общая математическая модель и предельные условия возникновения и распространения лесных пожаров», РФФИ № 02-01-00714-а «Математическое моделирование влияния лесных пожаров на устойчивое функционирование городов, поселков и различных производств, расположенных на территориях, покрытых лесом», РФФИ № 08-01-99019-р_офи «Прогноз лесной пожарной опасности на территории Томской области с использованием новой математической модели, суперкомпьютера СКИФ-Cyberia, спутникового мониторинга и геоинформационных систем», РФФИ № 10-01-91054-ПЦНИ_а «Исследование воспламенения торфа и распространения торфяных пожаров», РФФИ № 11-01 -00673-а «Математическое и физическое моделирование торфяных пожаров с целью их прогноза и снижения риска», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» г/к № П 1109 от 26.08.2009 г., НОЦ- г/к №02.740.11.0674, Гранта Президента РФ для государственной поддержки
молодых российских ученых №МК-4331.2011.1 «Физико-математическое моделирование возникновения и распространения степных пожаров. Определение коэффициента излучения пламени фронта степного пожара ИК-методами». Положения, выносимые на защиту:
-
Применение понятий и методов механики реагирующих многофазных сред для моделирования процесса сушки слоя лесных горючих материалов с целью прогноза изменения их влагосодержания со временем и с учетом наклона земной поверхности.
-
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований характеристик фронта горения степных, полевых пожаров и его воздействие на деревянные конструкции.
-
Экспериментально полученные значения времен задержки и критические величины плотности энергии воспламенения торфа под действием интенсивного теплового излучения и характеристики фронта горения с применением методов ИК-диагностики окружающей среды.
-
Результаты частотного анализа изменений температуры в пламени при горении растительных горючих материалов.
-
Экспериментально установленные:
связь между коэффициентом излучения пламени в узком спектральном интервале 2.5-2.7 мкм и влагосодержанием растительных горючих материалов;
зависимость между регистрируемой энергетической яркостью высокотемпературного объекта, экранированного полупрозрачной высокотемпературной средой (пламенем) и его истинной энергетической яркостью;
особенности регистрации высокотемпературных объектов в узком
спектральном интервале 2.5-2.7 мкм, экранированных пламенем при
горении растительных материалов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации
опубликованы в 57 работах, включая 12 работ из общего списка,
рекомендованного ВАК России.
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных научных конференциях и форумах: "Пожары в лесу и на объектах лесохимического комплекса: возникновение, тушение, экологические последствия" (Томск, 1999), "Сопряженные задачи механики и экологии" (Иркутск, 1998), «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири» (Горно-Алтайск, 2000), «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 2000), «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященная 80-летию академика Н.Н. Яненко (Новосибирск, 2001), «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Иркутск, 2001), 7-я международная конференция «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (Томск, 2008), 8-я всероссийская конференция
«Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» (Томск, 2009), XVI международный сумпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2009), Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009), VI International Conference of forest fire research (Coimbra, Portugal, 2010), Вторая научно-практическая конференция с международным участием «Инновационная энергетика 2010» (Новосибирск, 2010), Молодежная научная конференция «Проблемы естествознания» (Томск, 2009), VI Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2010), X Международная конференция «Забабахинские чтения» (Снежинск, 2010), Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (Томск, 2010), Международная конференция «Седьмые Окуневские чтения» (С.-Петербург, 2011), XVII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011), Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления» (Владивосток, 2011), XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды» (Кемерово, 2011), International Conference on Fire Behaviour and Risk (Alghero, Italy, 2011), XVIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2011), Всероссийская научная конференция с международным участием «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (Томск, 2012), XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, 2012).
Достоверность полученных результатов в данной работе обеспечена корректностью постановок задач, строгом использовании численных методов, сравнении с экспериментальными данными, с данными других авторов, использованием различных независимых методик и статистической обработкой результатов измерений.
Личный вклад диссертанта заключается в разработке математических моделей, проведении численного моделирования и анализа его результатов, постановке и проведении экспериментальных исследований с анализом их результатов. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом как лично, так и совместно с научным консультантом д.ф.-м.н., проф. A.M. Гришиным. Вклад диссертанта в основные результаты исследований определяющий. Все результаты совместных работ и выводы, включенные в диссертацию получены автором лично. Представление изложенных в работе результатов согласовано с соавторами.
Объем и структура диссертации. Общий объем работы 287 страниц, в ней содержится 109 рисунков, список литературы включает 207 наименований. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы.
