Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Основным фактором, поддерживающим горение, является тепловая энергия, большая часть которой выделяется за счёт процессов горения конденсированных и летучих продуктов пиролиза. Термокинетические характеристики процессов горения и пиролиза оказывают существенное влияние, как на качественную, так и на количественную картину пожара. Одной из фундаментальных задач в исследовании лесных пожаров является изучение кинетики процессов, их составляющих. Её актуальность и важность обусловлены противоречивостью информации о значениях термокинетических постоянных, характеризующих данные процессы, особенно при высоком темпе нагрева, наиболее характерном для лесных пожаров. Знание кинетики и механизма процессов пиролиза древесины и горения продуктов пиролиза является необходимым условием построения адекватных моделей зажигания и горения лесных горючих материалов, возникновения и распространения лесных пожаров.
Моделированию процессов пиролиза и нахождению его термокинетических постоянных посвящены работы таких авторов как Chang-Zhong Son, Lautenberger Chris, Miller R.S., Matala Anna, A.H. Кислицин, Г.В. Кузнецов и др. В них представлен ряд моделей пиролиза и алгоритмов решения обратной задачи. Использование полных моделей физико-химических процессов, включающих в себя сотни реакций, затруднительно. Включение большого количества физико-химических процессов в модели лесных пожаров привело бы к увеличению необходимого для решения задачи объёма вычислений, который и без того достаточно велик. На практике для решения данной проблемы чаще всего используется ограниченный набор ключевых реакций, обеспечивающих наилучшее соответствие действительности картины пожара (A.M. Гришин, А.Н. Кислицин, К. Akita и др.).
Среди распространённых приёмов определения термокинетических констант на основе экспериментальных данных является логарифмирование уравнения Аррениуса и его сведение к линейной регрессии (A.M. Гришин и др.). Данный приём обладает рядом ключевых ограничений. Во-первых, возможно использование только одной реакции. Если число реакций две и более, то теряются преимущества данного приёма. Во-вторых, если относительная скорость основной реакции не увеличивается за счёт роста температуры по закону Аррениуса, то величина энергии активации существенно занижается. Работы СП. Синицына, А.И. Филькова и других опираются на эксперименты по нагреву образца при нескольких значениях постоянных температур, что позволяет свести задачу к использованию метода наименьших квадратов в простой форме. Недостатки данного метода проявляются в случаях, когда при температуре эксперимента существует несколько параллельных реакций с разными относительными скоростями. В результате убыль массы перестаёт иметь экспоненциальный характер, что может приводить к некорректным результатам при определении термокинетических постоянных, как следствие происходит искажение картины
горения при моделировании лесных пожаров. Как известно, при решении задачи определения эффективных термокинетических постоянных существует ряд сложностей, которые обрабатываются по-разному в различных работах. Например, в работах A. Matala используется генетический алгоритм, позволяющий находить параметры всех реакций упрощённой модели, наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. При помощи этого алгоритма анализируются данные о скорости убыли массы с ростом температуры. Достоинством данного подхода является возможность получения параметров всех моделируемых процессов, но если некоторые заведомо не сводятся к используемой модели, то полученные результаты будут некорректны.
V. Tihay и соавторы провели исследования распространения лесного пожара, положив в основу крупномасштабной модели предположение об эквивалентности процессов горения угарного газа и летучих продуктов пиролиза. Это позволило улучшить модель горения. Ими, на основе экспериментальных данных и численных расчётов, было проведено тестирование скелетных и глобальных механизмов горения. В работах X. Zhou и S. Mahalingam впервые была использована детальная кинетика для лесных горючих материалов, характерных для Средиземноморского региона, и получен скелетный механизм, состоящий из 49 реакций. Использование такого количества реакций при численном моделировании лесных пожаров требует большого количества ресурсов. N. Peters предложил использовать вместо сорока девяти всего четыре глобальных реакции и показал, что их достаточно для описания горения продуктов пиролиза лесных горючих материалов для Средиземноморского региона.
Хотя в лабораторных условиях можно обеспечить любой режим нагрева (в пределах возможностей оборудования), и сделать приближение расчётов к полученным экспериментальным данным, режим нагрева горючих материалов в реальном пожаре может существенно отличаться. Для решения таких задач производится контроль полученных результатов на основе эксперимента по распространению горения по слою исследуемого материала.
Большинство лесных пожаров начинается в подстилающей поверхности, представляющей собой тонкий плотный слой лесных горючих материалов. Характеристики данного слоя существенно отличаются от характеристик травы, используемых при моделировании степных пожаров, а также смешанного слоя кустарников и травы, используемого при моделировании низовых лесных пожаров. Данный слой характеризуется также высоким аэродинамическим сопротивлением, что становится важным фактором при моделировании его горения. В работах A.M. Гришина и др. для пористого материала для связи давления и поля скоростей с учётом аэродинамического сопротивления предлагается использовать закон Дарси. Достоинством данного подхода является снятие ограничения на шаг по времени, связанного со скоростью звука, при моделировании аэродинамики процесса, так как происходит пренебрежение инерцией газовой фазы в пористой среде. Однако при моделировании процессов горения, характеризующихся образованием
избыточного давления, имеет место его диффузионное распространение, что подавляет доступ кислорода при условии отсутствия на границе скорости подсоса. При формировании поля скоростей и давлений вокруг исследуемого горючего слоя характеристики вычисляются на основе гидродинамической задачи без аэродинамического сопротивления вне пористого материала, что при использовании закона Дарси внутри слоя приводит к минимальному проникновению газа в слой, блокируя подачу кислорода во время горения.
Признавая вклад упомянутых ученых, следует отметить, что на сегодняшний день не достаточно разработаны модели и инструменты, позволяющие моделировать процессы горения в тонком плотном слое лесных горючих материалов. Физические модели лесных пожаров требуют доработки с учётом высказанных ранее замечаний. Поэтому для решения задачи о распространении горения по тонкому плотному слою в данной работе, в отличие от известных подходов, предлагается использовать закон Эргана.
Анализ существующих методов нахождения термокинетических постоянных процессов пиролиза показал недостатки существующих методов и способов выбора параметров, минимизирующих их влияние на результат, поэтому представляется актуальной разработка нового алгоритма нахождения термокинетических постоянных, уточнение параметров пиролиза лесных горючих материалов и разработка модели горения тонкого слоя. Это обусловило выбор целей и задач исследования.
Объектом исследования является динамика горения слоя лесных горючих материалов.
Предмет исследования: процессы пиролиза и горения лесных горючих материалов и их химическая кинетика; распространение пламени по слою лесных горючих материалов с учётом вертикальной неоднородности; взаимодействие пожара в слое лесных горючих материалов с водной преградой.
Цель диссертационной работы состоит в формулировании математической постановки и теоретическом исследовании распространения горения в слое лесных горючих материалов с учётом термокинетики процессов пиролиза и аэродинамического сопротивления плотного слоя по формуле Эргана.
В соответствии с обозначенной целью поставлены следующие задачи диссертационного исследования:
проанализировать существующие модели пиролиза и методы определения термокинетических постоянных;
разработать алгоритм определения термокинетических постоянных и уточнить модель пиролиза по результатам термогравиметрических исследований при постоянном темпе нагрева;
разработать модель горения тонкого плотного слоя лесных горючих материалов с учётом аэродинамического сопротивления по формуле Эргана и провести её верификацию.
провести оптимизацию алгоритма расчёта газодинамики процессов на основе масштабирования распространения упругих волн;
выполнить программную реализацию предложенных алгоритмов для моделирования процессов распространения горения при лесных пожарах;
исследовать влияние двухъярусности лесных горючих материалов на динамику процессов горения и взаимодействие с водной преградой.
Научная новизна результатов работы
-
Впервые использована формула Эргана для учёта силы аэродинамического сопротивления в задаче о распространении горения по тонкому плотному слою лесных горючих материалов.
-
Впервые на основе интегральных соотношений разработан алгоритм определения термокинетических постоянных для двухстадииного механизма пиролиза.
-
Разработан алгоритм оптимизации расчёта гидродинамических процессов на основе масштабирования скоростей движения газовой фазы и упругих волн.
-
Проведен анализ влияния двухслойности среды на динамику ландшафтного лесного пожара и на эффективность его тушения с помощью водной преграды.
-
Разработана программная реализация описанных ранее алгоритмов.
Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в формулировании математической постановки задачи распространения горения по тонкому плотному слою лесной растительности и метода масштабирования скорости распространения упругих волн, позволяющей существенно увеличить шаг по времени и сократить время счёта.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в построении рекомендаций по использованию масштабирования скорости упругих волн при моделировании ландшафтных лесных пожаров, рекомендации по использованию алгоритмов определения термокинетических постоянных при решении обратных задач химической кинетики. Подходы, использованные при моделировании горения тонкого плотного слоя лесных горючих материалов, могут быть использованы для моделирования развития низовых пожаров в хвойных лесах. Результаты могут быть использованы для совершенствования системы мониторинга ландшафтных лесных пожаров с учётом двухслойности среды и определения наиболее опасных участков.
Положения, выносимые на защиту
-
Разработан алгоритм определения термокинетических постоянных на основе интегральных соотношений и экспериментальных термогравиметрических данных, при постоянном темпе нагрева, для случая двухстадииного процесса пиролиза. Уточнены значения термокинетических постоянных процесса пиролиза хвои сибирской сосны.
-
Построена физико-математическая модель распространения горения по плотному слою с учётом аэродинамического сопротивления по формуле Эргана и алгоритмы расчёта на основе масштабирования скорости распространения упругих волн. Осуществлена верификация данной модели на основе сопоставления численных расчётов с результатами экспериментальных данных.
3. Показано, что при увеличении плотности слоя лесных горючих материалов около подстилающей поверхности увеличивается количество вода в водной преграде, необходимое для тушения пожара.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях: «4th Fire Behavior and Fuels CONFERENCE», 2013, г. Санкт-Петербург; Всероссийская научно-практическая заочная конференция «Достижения и приложения современной информатики, математики и физики», 2013, Нефтекамск; V Международная Научно-практическая Конференция «Наука вчера, сегодня, завтра» 2013, Новосибирск; XII Международная Научно-практическая Конференция «Естественные и математические науки в современном мире», 2013, Новосибирск; X Международная научно-практическая конференция «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии», Москва, 2013; Материалы XXII международной конференции «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира», Н. Новгород, 2013; Theoretical & Applied Science. ISPC «Advances in techniques & technologies», Milan, Italy, 2013. Результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород. Полученные результаты используются в российско-китайском исследовательском проекте, выполняемом при участии автора диссертации 13-03-91164 ГФЕНа «Экспериментальное исследование кинетики и механизма термического разложения лесных горючих материалов и процессов распространения пламени по их слою».
Достоверность полученных результатов работы подтверждается физической обоснованностью и корректностью постановок предлагаемых задач, использованием хорошо апробированной общей модели лесных пожаров и корректным использованием известных численных схем, а также сравнением результатов численного моделирования и экспериментальных данных.
Личный вклад. В работах [6, 8, 10, 12, 13] автору принадлежит алгоритм решения обратной задачи химической кинетики определения термокинетических констант и расчёты. В работах [2-5] автор выполнил численные расчёты и их анализ. Личное участие автора состоит в математической формулировке задачи для распространения горения по плотному слою лесной растительности с учётом масштабирования упругих волн и формулы Органа. Автор исследовал влияние двухслойности среды на динамику пожара в различных условиях. В совместных работах научному руководителю принадлежат постановка задачи и обсуждение результатов, а также выбор методов исследования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации -116 страниц, включая 28 рисунков.
