Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований по моделированию взаимодействия потока воды и динамики лесного пожара 13
1.1. Современные подходы к моделированию пожаров 15
1.2. Современные подходы к моделированию струи воды 23
1.3. Современные подходы к моделированию частиц воды, водяных завес и сплинкерных систем 27
ГЛАВА 2. Математические модели влияния потока свободной воды на динамику лесного пожара 40
2.1. Физическая и математическая постановка задачи о тушении лесного пожара 41
2.2. Особенности дискретизации задачи о взаимодействии лесного пожара и заданного потока свободной воды 56
2.3. Нахождение оптимальных значений параметров в алгоритмах подачи воды в зону лесного пожара 63
ГЛАВА 3. Определение критических значений потока воды при тушении лесных пожаров 65
3.1. Результаты численного моделирования взаимодействия потока воды с лесным пожаром в двумерной постановке 65
3.2. Результаты моделирования тушения пожара при помощи водяной пушки, движущейся параллельно фронту пожара 78
3.3. Влияние скорости ветра на эффективность тушения лесного пожара 94
3.4. Анализ протекающих процессов, их энергии в типичных расчётах и оценки требуемого количества воды для тушения 99
Заключение 103
Список использованных источников
- Современные подходы к моделированию струи воды
- Особенности дискретизации задачи о взаимодействии лесного пожара и заданного потока свободной воды
- Результаты моделирования тушения пожара при помощи водяной пушки, движущейся параллельно фронту пожара
- Анализ протекающих процессов, их энергии в типичных расчётах и оценки требуемого количества воды для тушения
Современные подходы к моделированию струи воды
В главе отражается современное состояние моделирования динамики лесных пожаров и динамики струи. Выполнен критический обзор моделей струи, динамики воды и процессов испарения капли и проведён анализ основных факторов, определяющих динамику тушения лесных пожаров.
Проблема природных катастроф на протяжении всей жизни человечества стояла на одном из первых мест, так как их последствия очень тяжелы во многих сферах жизни общества, как с точки зрения биологических жертв, так и с точки зрения экономического ущерба для государств, подвергшихся действию природных катастроф. В частности, к таким проблемам относят и проблему лесных пожаров. Виной тому становится не только жаркий и засушливый климат, но и человеческий фактор. Потушить лесной пожар, особенно если он повальный, достаточно сложно, поэтому особое значение имеет эффективность его тушения. А для этого в свою очередь нужно знать динамику лесного пожара с учётом различных способов и режимов подачи воды. Среди современных работ можно выделить следующие группы: работы, посвящённые моделированию динамики пожара, работы, посвящённые динамике струи воды и капли под воздействием различных внешних факторов и работы, посвящённые взаимодействию воды и огня.
Все методы тушения условно можно разделить на непосредственно воздействующие на фронт пожара и направленные на локализацию зоны горения. Как известно, фронт пожара имеет несколько зон с характерными температурами [26, 37]. В зависимости от того, на какую зону фронта пожара оказывается воздействие водой, тушение будет либо эффективным, либо нет. Зона пиролиза является самой уязвимой зоной пожара [26], то есть в этой области происходит термическое разложение органических веществ при нагревании, образование летучих продуктов и их перемешивание с воздухом. Вода является одним из наиболее распространенных и доступных средств тушения лесных пожаров. Она может использоваться для тушения как низовых, верховых, так и почвенных (подстилочных и торфяных) пожаров. В зависимости от типа пожара, характера его распространения, наличия воды могут быть поставлены цели как остановки распространения кромки пожара, так и полного тушения. Для тушения пожаров, используется вода из имеющихся вблизи источников или привозимая в пожарных автоцистернах и других ёмкостях. Для тушения пожаров можно использовать стационарные агрегаты для подачи воды или движущиеся источники (например, поливочные машины), причём подача воды может осуществляться как в виде компактной, так и в виде распыленной струи. Как правило, для тушения лесных пожаров применяются источники подачи воды, такие как ранцевые лесные огнетушители, мотопомпы и автоцистерны. Скорость подачи воды и скорость передвижных средств тушения - величины ограниченные. При крупных лесных пожарах или при мощном слое подстилки, а также на задернелых почвах рекомендуется использовать сплошную струю, получаемую с помощью насосных установок со значительно большим расходом воды на квадратный метр горящей площади. В целях снижения ущерба от лесных пожаров важно использовать современные технологии тушения, позволяющие быстро его локализовать. Современный процесс тушения связан с нарушением лесных биогеоценозов и причинением экологического вреда лесам, а при высокой полноте древостоев ещё и ограничен трудностями передвижения техники. Использование, при тушении лесного пожара ручного труда не обеспечивает достаточной производительности. В результате этого увеличивается длина кромки пожара и как следствие пройденная им площадь. Таким образом, одной из приоритетных задач науки является поиск эффективных способов борьбы с лесными пожарами, что невозможно без детального анализа взаимодействия струи воды с ними. 1.1. Современные подходы к моделированию пожаров
Использование экспериментальных методов исследования пожаров и тем более методов их тушения - задача не тривиальная и требующая больших затрат. Современные модели, как правило, не позволяют полностью моделировать динамику протекающих процессов при тушении лесных пожаров. Как известно, модели лесных пожаров бывают сложными и упрощёнными, базирующимися на анализе статистических или экспериментальных данных по процессам горения лесных горючих материалов. Среди всех моделей пожаров, как правило, выделяют эмпирические [110] и полуэмпирические [23, 90, 113, 114, 117, 127, 130, 131, 139, 145, 153, 154, 156-158, 166, 167] модели. Их отличительной особенностью является замена причинно-следственных связей между ключевыми параметрами их статистическими зависимостями. Использование данных моделей осложнено для регионов России, характеризующихся различными типами растительности и условий. Эти модели требуют сбора большого количества статистических данных и получения новых зависимостей для каждого ареола растительности. Большинство эмпирических и полуэмпирических моделей не включают в себя данные о концентрациях компонент и температуре среды пожара или содержат упрощенные зависимости для их определения, что делает невозможным анализ динамики самого процесса горения. Среди всех полуэмпирических моделей лесных пожаров широкое распространение получили волновые модели. Описание горения в таких моделях осуществляется с помощью функции предиката, определяющей множество точек местности, охваченной огнем в данный момент времени. В основе этих моделей лежит принцип
Гюйгенса [153, 154], а именно, все точки затронутые огнем, являются источником дальнейшего распространения горения. Скорость распространения пожара в таких моделях определяется на основе экспериментальных данных или наблюдений. На территории с неоднородными условиями форма фронта пожара становится сложной. В работе [90] автором рассматривается два основных подхода к моделированию фронта пожара на основе клеточной и волновой моделей. В рамках клеточных моделей сетка накладывается на анализируемую территорию. В каждый момент времени пожар рассматривается как множество клеток и сам шаблон проектирования (паттерн) распространения огня дискретизируется. Процесс моделирования распространения огня осуществляется следующим образом: новые точки, охваченные пожаром, определяются в результате применения паттерна распространения к точкам, захваченным пожаром на предыдущем шаге по времени. Таким образом, сложность вычислений становится пропорциональной количеству точек, охваченных процессом горения за все время от начала процесса моделирования. Канадская волновая модель Прометей [127] осуществляет расчёт пожара на основе шаблонов распространения пожара в форме эллипса, двойного эллипса, овала или капли в однородной среде. Вид и характеристики шаблона определяются на основе экспериментальных данных. Среди достоинств модели Прометей [127] следует отметить вычислительную простоту. Это позволяет задействовать максимальное количество точек по пространству и по времени, сохраняя высокую скорость вычислений при малой погрешности дискретизации. Однако эта модель пренебрегает основными характеристиками горения (концентрациями веществ и температурой), подменяя их булевой функцией наличия или отсутствия процесса горения в точке. Данная модель не позволяет осуществлять моделирование постепенного затухания пожара.
Подход, аналогичный модели Прометей [127], применяется в системе моделирования лесных пожаров FlamMap [113, 131]. Данный алгоритм позволяет построить изохрону по минимальному времени достижения точки фронтом пожара. Модель учитывает неоднородность рельефа и ветра, вследствие чего становится возможным прогнозирование максимально опасного направления, по которому распространение пожара будет происходить с большей скоростью.
Особенности дискретизации задачи о взаимодействии лесного пожара и заданного потока свободной воды
Моделирование процессов тушения лесных пожаров требует учёта составляющих их физических процессов, так и способов подачи воды, сводящихся к тому в каких точках и в какие моменты времени в зону пожара будет подана вода. Изменение способа подачи воды не влечёт за собой изменения моделируемых физических законов, поэтому постановка задачи может быть разделена на две взаимосвязанных части. В первом пункте данного параграфа описывается базовая физико-математическая постановка задачи с учётом взаимодействия лесного пожара и подаваемого потока воды. Во втором и третьем пункте параграфа приводятся модели распределения интенсивности подачи воды.
Моделирование динамики лесного пожара с учётом его взаимодействия со свободной водой Будем считать, что лес представляет собой пористую реагирующую многофазную среду. Задача рассматривается в однотемпературной двумерной постановке [26, 37, 38, 39] в предположении, что объёмная доля конденсированной фазы пренебрежимо мала. Для описания лучистого теплопереноса чаще всего используется диффузионное приближение с учётом серости среды [37, 42, 100]. Предполагается, что газовая фаза состоит из кислорода, летучих продуктов пиролиза и инертных компонент. Таким образом, в основе математической формулировки задач, рассматриваемых в диссертации, лежит общая математическая модель пожара [26, 37, 39, 74, 100].
В Нижегородской области преобладает рельеф с малыми углами наклона [95, 96], поэтому в данной работе будем рассматривать случай распространения пожара по плоскости. На рис. 2.1 приведена конфигурация рельефа и растительности, рассмотренная в диссертации. Задача рассматривается в декартовой системе координат, z=0 соответствует уровню моря. Высота растительности постоянна. Направление движения фронта пожара совпадает с направлением оси образования газовой фазы О = (l - ar. )R, + R0 + -R,, уравнение сохранения количества движения проекций скоростей U и W, учитывающее изменение скоростей за счёт конвективного переноса движущихся частиц, перепад давления, динамическую вязкость, а также аэродинамическое сопротивление лесных горючих материалов в области, где они есть. d(p5U) д(р5и2) d{p5UW) dP д уравнение сохранения концентраций компонентов газовой фазы, учитывающее для каждой компоненты её перенос под действием поля скоростей, турбулентную диффузию, а также изменение концентраций вследствие химико-физических процессов
При записи системы уравнений (2.1) - (2.14) использованы следующие обозначения: с i,p,g)i - удельная теплоемкость, истинная плотность и объемная доля, Дж/(кгК), кг/м3 (/=1 - сухое органическое вещество, /=2 -связанная вода, /=3 - конденсированные продукты пиролиза, /=5 - газовая фаза); Т - температура среды, К; Са - массовые концентрации компонентов газовой фазы (/=1 - кислород, /=2 - горючие компоненты продукта пиролиза, /=3 - инертные компоненты газовой фазы, не реагирующие компоненты продукта пиролиза и водяного пара); U,W- горизонтальная и вертикальная составляющие скорости газовой фазы, м/с; Р - давление, Па; иR - плотность потока излучения, Дж/м4; Е - коэффициент ослабления, с"2; ks -спектральный коэффициент поглощения; с - скорость света, м/с; а -постоянная Стефана-Больцмана, кгс-3К4; R1,R2,R3,R5 - массовые скорости реакции пиролиза сухого органического вещества, испарения влаги, горения конденсированных и летучих продуктов пиролиза соответственно, кг/(см3); q1(T\q2,q3,q5 - тепловые эффекты реакций пиролиза, испарения, горения кокса и окисления летучих продуктов пиролиза, Дж/кг; Q - массовая скорость образования газовой фазы, кг/(см3); Ма,МсМ – молярные массы индивидуальных компонентов, углерода и смеси в целом, кг/моль; S -удельная поверхность фитомассы полога, 1/м, cd - эмпирический коэффициент аэродинамического сопротивления; ас,уг - коксовое число РГМ и массовая доля горючего газа в общей массе летучих продуктов пиролиза соответственно; jut,\,Dt - коэффициенты динамической вязкости, турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии соответственно, Пас, Вт/(мK), м2/с; Et и kt - энергия активации и предэкспонента химической реакций соответственно пиролиза сухого органического вещества РГМ, испарения влаги, горения конденсированных продуктов пиролиза, горения летучих продуктов пиролиза; E1 = 9400R К; E2 = 6000R К; E3 = 10000R К; E5 = 11500R К; k1 = 36300 с-1; k2 = 600000 К0,5с-1; k3 = 1000 кгс-1/м2; k5 = 31013 К2,25мольс-1/м3 [26, 37]; g – величина силы тяжести, м/с2; универсальная газовая постоянная R=8,3145 м2кгс-2К-1Моль-1.
Для замыкания системы на границе, соответствующей поверхности земли, используются условия непротекания и прилипания для скорости газовой фазы. Будем считать, что твёрдая поверхность не проводит тепло, то есть, из слоя лесных горючих материалов нет оттока или поглощения тепловой энергии и вещества. На верхней и на боковых границах расчётной области заданы условия свободного переноса. Они определены как профиль скорости газовой фазы с учётом гашения упругих волн, проходящих через границу. Концентрации компонент газовой фазы и их температура на свободных границах предполагаются равными значениям в невозмущенной среде. Плотность теплового лучистого потока на свободных краях расчётной области соответствует температуре окружающей среды.
Результаты моделирования тушения пожара при помощи водяной пушки, движущейся параллельно фронту пожара
Таким образом, из результатов, полученных в данном пункте, видно, что наиболее эффективно тушение при температуре 800 К. В случае если подача воды производится в область более низких температур, требуемая интенсивность увеличивается в связи с тем, что вода тратится на охлаждение растительности, находящейся впереди кромки пожара. В отсутствии подачи воды в эту область, часть этой энергии рассеялась бы за счёт внешнего поля скоростей. Использование в качестве точки прицела области низких температур не приводит к катастрофическому росту требуемой интенсивности подачи воды. Выбор точки обстрела в области с высокими температурами, свойственными ядру очага, приводит к уменьшению рассеивания энергии на излучение, интенсивность которого, согласно закону Стефана-Больцмана, пропорциональна четвёртой степени температуры, а это в свою очередь требует увеличения интенсивности подачи воды. Уменьшение интенсивности распространения лучистой энергии приводит не только к уменьшению её потерь, но и к некоторому замедлению распространения пожара, что позволяет остановить его распространение, хотя и с несколько большими затратами воды.
. Подача воды в точку не ниже заданной высоты (сценарий 2) Как известно, при пожарах, нагретые продукты горения распространяются преимущественно вверх под действием процессов конвекции. В данном пункте рассматриваются варианты подачи воды не ниже заданной высоты. В связи с особенностями дискретизации расчётной области рассматривалась подача воды на высоты не ниже 0,2 м, 0,6 м, 1,0 м и т.д. с шагом 0,4 м. В данном пункте рассматривается только одно значение критической температуры Tcr=800 К. С одной стороны это обусловлено существенным увеличением требуемых вычислительных ресурсов в случае выполнения серий расчётов для нескольких варьируемых параметров, а с другой стороны тем, что температура 800 К оказалась оптимальной согласно расчётам, приведённым в предыдущем пункте диссертации.
В таблице 3.2 приведены результаты расчётов, показывающие критическую величину интенсивности подачи воды в зависимости от минимальной высоты. При проведении численных расчётов предполагалось, что вода может подаваться только в центр ячейки, а ограничение на высоту сводилось к тому, что несколько нижних ячеек слоя ЛГМ не могли быть выбраны в качестве точки прицела.
В таблице 3.2 видно, что наиболее эффективное использование воды достигается в случае отсутствия ограничений на высоту. Далее, с ростом высоты, эффективность постепенно снижается до достижения момента, когда пожар продолжается, несмотря на все усилия.
На рис. 3.6 показана динамика пожара при ТСГ=800К, м;ш=0,626кг/(мс), hcr=0,2 м. На начальном этапе подачи воды (0,8 с) нижняя часть фронта пожара становится существенно тоньше за счёт кипения воды, прицельно подаваемой в его переднюю часть у основания.
Динамика распространения пожара при Tcr=800К, wint=0,626кг/(мс), hcr =0,2 м Как видно, это вытесняет пожар из нижней части растительности (1,2 с). На момент 1,6 с можно наблюдать, что нижняя часть фронта пожара также отстаёт, и затем гаснет (2 с). При t=2,4 с горение распространяется вниз, однако алгоритм выбора точки подачи воды не даёт развиться этому процессу, постепенно вытесняя горение вверх. Следует также отметить, что по мере вытеснения пожара из нижней части слоя, данный процесс ускоряется. Это связано с тем, что интенсивность подачи воды постоянна, а энергия, выделяемая вследствие процессов пиролиза и горения, уменьшается.
На момент 2,2 с динамика пожара аналогична рис. 3.6 в момент 2,0 с, однако фронт пожара имеет большую ширину. Также как и в предыдущем случае, пожар распространяется вниз, но на момент 3 с, в нижней части полога леса закрепляется очаг пожара, что связано с большей концентрацией кислорода и наличием неразложившихся горючих материалов. Хотя горение вновь удаётся вытеснить вверх к моменту 3,4 с, пожар вновь захватывает приземный слой лесных горючих материалов (3,6-3,8 с). Дальнейшая динамика пожара при данных параметрах аналогична приведённой на рис. 3.4.
На практике не всегда возможно направить воду в приземную часть слоя лесных горючих материалов. На рис. 3.8 показана динамика пожара для случая, когда вода направлена в точку не ниже 2,2 м.
Динамика распространения пожара при Tcr=800К, wint=1,274кг/(мс), hcr=2,2 м Уже через секунду после начала подачи воды, имеет место разрыв фронта пожара, который затем вытесняется вверх. В результате таких действий пожар продолжается только в нижней части слоя, а при превышении заданной высоты, фронт срезается подаваемой водой. Малый по высоте очаг пожара не имеет достаточной мощности, чтобы распространяться. После 3 с от начала подачи воды пожар остаётся только в нижней части слоя и без поддержки лучистой энергии сверху, постепенно затухает. Увеличение минимальной высоты до 2,6 м приводит к качественному изменению динамики пожара, что продемонстрировано на рис. 3.9. До момента 2 с, динамика пожара аналогична результатам, показанным на рис. 3.8. Однако в отличие от результатов с меньшей критической высотой, зона разрыва фронта расположена выше. В дальнейшем, по мере развития пожара, область активного горения не распространяется выше 2-2,5 м. Температура в конвективной колонке составляет 500-800 К, что связано в фактическим подавлением области горения в верхней части полога леса.
Следует отметить, что в связи с подачей воды на высоту не ниже заданной, большую часть времени имеет место ситуация, при которой нет ни одной ячейки, удовлетворяющей условию выбора прицела, в результате чего вода вообще не подаётся.
Динамика распространения пожара при Tcr=800К, wint=4,032кг/(мс), hcr =2,6 м На рис. 3.10 показана динамика движения точки прицела для случаев подачи воды с интенсивностью выше критической на высоту не ниже 0,2 и 2,2 м. В случае отсутствия существенных ограничений на высоту подачи воды, подача воды вначале производится в верхнюю часть слоя леса, так как именно там пламя раньше попадает в область досягаемости источника подачи воды. В течении 1-1,6 м производится подача воды в нижний слой, после чего пожар вытесняется вверх. В случае наличия ограничения на высоту подачи воды не менее 2,2 м, на начальном этапе подавляется верхняя часть очага пожара, после чего вода поступает только в случае, если пламя выходит за заданную границу.
В заключение данного пункта следует отметить, что подача воды в области с наименьшей высотой, где температура достаточно велика, позволяет более эффективно прекращать распространение лесных пожаров. Тем не менее, практическая реализация такого метода подачи воды сопряжена с серьёзными трудностями. . Результаты моделирования тушения пожара при помощи водяной пушки, движущейся параллельно фронту пожара Основным достоинством постановки, описанной в пункте 2.1.3, является большая реалистичность по сравнению с двумерным аналогом. В данном случае фронт пожара тушится по мере продвижения водяной пушки. Эффективность такого тушения определяется расходом воды на метр фронта, который в свою очередь зависит от массового расхода воды на единицу времени и скорости движения водяной пушки. Массовый расход воды водяной пушки предполагается постоянным, а тГ = 1 м.
При моделировании тушения пожара с помощью источника подачи воды предполагалось, что её составляющая скорости вдоль фронта пожара не может превышать 20 м/с, что связано с техническими сложностями в обеспечении подачи достаточного количества воды. Минимальная рассматриваемая скорость составила 0,5 м/с. Данное ограничение обусловлено увеличением времени подачи воды в сечение y=y1, которое обратно пропорционально скорости движения источника подачи воды и необходимостью увеличения размеров расчётной области для моделирования распространения пожара в течение больших промежутков времени. С другой стороны, передвижение источника подачи воды с такой низкой скоростью нецелесообразно, так как в таком случае расход воды на тушение фронта заданной длины многократно возрастает.
В таблице 3.3, показаны результаты численных экспериментов по моделированию тушения пожара при помощи водяных пушек, общий расход которых составляет от 40 до 120 кг/с. В таблице приводятся критические значения скорости движения водяной пушки в зависимости от массового расхода воды. При скорости движения водяной пушки выше критической тушение пожара не происходит, т.к. уменьшается количество воды, подаваемой в зону пожара, а при замедлении движения - поток воды уменьшается.
Анализ протекающих процессов, их энергии в типичных расчётах и оценки требуемого количества воды для тушения
Ветер – является одним из ключевых факторов, определяющих направление и скорость распространения лесного пожара. А это в свою очередь определяет динамику тушения пожара. В данном параграфе проводится анализ влияния скорости ветра на массовый расход воды, отнесённый к единице длины фронта пожара.
Среди рассмотренных алгоритмов подачи воды в двумерной постановке наилучшим образом показал себя Сценарий 2 при отсутствии ограничений на минимальную высоту подачи воды hcr. Согласно описанию, приведенному в параграфе 2.1.2, в данном случае среди множества всех точек, моделирующих лес, и лежащих в области досягаемости водяной пушки, выбираются те, которые имеют температуру, превышающую критическое значение Tcr. Если таких точек нет, то подача воды не производится, иначе выбирается ячейка с наименьшей высотой, если же их несколько, то ближайшая к источнику подачи воды. На рис. 3.23-3.25 показана динамика лесного пожара при различных значениях скорости ветра над слоем ЛГМ и значениях интенсивности подачи воды ниже и выше критического. На рис. 3.23 представлена динамика тушения пожара при малой скорости ветра. Как видно из представленных на рисунках полей скоростей, преобладает вертикальное распространение газовой фазы от очага горения.
Динамика взаимодействия пожара с водой при слева - wint=0,228 кг/(мс), справа - wint=0,23 кг/(мс) и скорости ветра 1,33 м/с. При интенсивности подачи воды ниже критической, в левой колонке рис. 3.23, процесс горения в нижней части слоя ЛГМ не прекращается. В результате этого, мощность процессов горения не уменьшается, и тушения пожара не происходит. В правой колонке продемонстрировано, что пожар постепенно вытесняется в верхнюю часть слоя. По мере вытеснения фронта горения мощность пожара уменьшается, что способствует ускорению тушения. Следует отметить, что как в левой, так и в правой колонке существует большая область высоких температур над пологом леса впереди фронта горения. В этой области происходит процесс горения летучих продуктов пиролиза, который создает избыток давления вследствие выделения энергии.
При достаточной интенсивности подачи воды (в правой колонке) происходит вытеснение процесса горения вверх. При недостаточной интенсивности подачи воды, фронт горения, на начальном этапе, вытесняется из нижней части слоя ЛГМ. Тем не менее, уже в момент 2 с, происходит воспламенение нижней недогоревшей части слоя ЛГМ позади фронта горения (в левой колонке). В момент 3 с нижняя часть фронта пожара растягивается, что препятствует тушению пожара.
На рис. 3.25 представлена динамика тушения пожара при скорости ветра 10 м/с. Вследствие большей скорости ветра скорости направлены преимущественно горизонтально, а нагретая газовая фаза находится на меньшей высоте, чем в предыдущем случае. Фронт пожара имеет существенно больший наклон за счёт ветра. Также как и в предыдущем случае, при достаточной интенсивности подачи воды, пожар постепенно вытесняется в верхнюю часть слоя, тогда как при недостатке воды фронт растягивается в большей степени, чем на рис. 3.24.
В таблице 3.5 приводится зависимость критической интенсивности подачи воды от скорости ветра. В таблице 3.5 видно, что при малых скоростях ветра (до 2 м/с) имеет место существенное увеличение критической интенсивности подачи воды. Это связано с медленным распространением пожара при малых скоростях ветра и, как следствие, даже малого количества воды достаточно для тушения. При увеличении скорости ветра выше 7,33 м/с, происходит резкое увеличение требуемой интенсивности подачи воды. Этот эффект обусловлен наклоном факела пламени под действием внешнего поля скоростей.
Согласно известным экспериментальным и теоретическим данным [26], существуют критические значения скорости ветра, при которых повальный верховой пожар может переходить в ураганный. Это приводит к изменению требуемого количества воды. Таким образом, при увеличении скорости ветра выше 7,33 м/с имеет место резкий рост критической интенсивности подачи воды. Это связано с увеличением наклона факела пламени, в результате чего поток лучистой энергии перенаправляется из газовой фазы в слой лесных горючих материалов. Вследствие этого происходит более быстрый прогрев верхних слоёв леса. Влияние тушения в нижнем слое леса способствует замедлению процессов горения. Таким образом, оба этих процесса в совокупности приводят к увеличению наклона фронта горения по высоте леса и, как следствие, существенно увеличивается требуемая интенсивность подачи воды.
3.4. Анализ протекающих процессов, их энергии в типичных расчётах и оценки требуемого количества воды для тушения
При тушении пожара при помощи обстрела водяной пушкой или авиацией вода, поступающая сверху, перед попаданием в зону активного горения в пологе леса испаряется за счёт энергии горения продуктов пиролиза. Если вода поступает недостаточно быстро, то она не попадает в полог леса, тем самым не тушит пожар. В случае если интенсивность подачи воды достаточно большая, то происходит охлаждение лесных горючих материалов в области кромки пожара, что препятствует их горению.
Согласно данным, приведённым в работе [27, 28], расход воды на площадь кромки лесного пожара составляет около 5 л/м2. Согласно расчётам, приведённым в работе Абдурагимова [1], на прекращение пламенного горения килограмма топлива с теплотой сгорания 40-50 МДж/кг за счёт охлаждения пламени требуется 2 литра воды, при этом отмечается, что на практике это значение в 5-10 раз выше. Если предположить, что основной эффект воды - охлаждающий, то логично считать расход воды пропорциональным теплотворной способности топлива. В приведённых в диссертации расчётах плотность лесных горючих материалов составляет 8 кг/м2, а их теплотворная способность 11МДж/кг, следовательно расчётное значение требуемого количества воды - 4 кг/м2. Учитывая ширину кромки пожара 1-1,5 м, расход воды составит 4-6 кг/м. Расчёты, представленные в диссертации, учитывают не все факторы, приводящие к недостаточно эффективному использованию воды, имеющие место на практике. Так, в данной диссертации учитывается расход воды на преодоление области нагретой газовой фазы в верхней части полога леса, и используется упрощённая модель рассеивания воды на основе изотропного двумерного распределения Гаусса, то есть с одинаковой дисперсией по каждой из координат. В модели не рассматривается динамика капель различных размеров, вместо этого предполагается, что капли долетают до цели и там полностью испаряются.
В данной главе проведены расчёты различных сценариев взаимодействия потока воды с лесным пожаром. Найдены критические значения массового расхода воды в зависимости от критической высоты, температуры и скорости ветра. При подаче воды в нижнюю часть зоны с температурой выше критической достигается наибольшая эффективность тушения пожара. Наглядно продемонстрировано, что при подаче в нижнюю часть зоны горения с температурой ниже критической недостаточного количества воды при малой скорости ветра происходит повторное возгорание позади основного фронта.
С ростом скорости ветра происходит растягивание фронта пожара и как следствие существенно увеличивается требуемый массовый расход воды. Задача о динамике пожара в двумерной постановке показала, что наиболее эффективным является алгоритм подачи воды в точку с наименьшей высотой, имеющей температуру около 800 К или выше. Численное моделирование на основе квазитрёхмерной постановки показало, что при подаче воды навесом, целесообразно осуществлять её быстро для минимизации потерь от испарения в конвективной колонке, а также целесообразность небольшого (около 25-50 см) отклонения прицела от ядра пожара против направления его распространения.
На основе расчётов квазитрёхмерной задачи, показано, что с ростом массового расхода воды уменьшается её расход в расчёте на длину фронта пожара. Неправильная тактика тушения может приводить к резкому снижению эффективности и, как следствие, возникновению катастрофических пожаров.
