Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Федосеева Т.А. 1 Постнов А.Д. 1 Беляев И.В. 1 Катаева Л.Ю. 1 Катаева Л.Ю. 2 Масленников Д.А. 1 Лощилова Н.А. 1 Лощилов А.А. 1

---

1 ГОУ ВПО «Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е. Алексеева»

2 ГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Рассмотрен вопрос о выборе оптимальной точки подачи воды при тушении лесного пожара стационарно стоящей водяной пушкой. На основе численных расчётов по физико-математической модели динамики тушения лесного пожара, исследуется влияние выбора точки подачи на массовый расход воды. Показаны поля температур и скоростей при различных параметрах тушения лесного пожара. При подаче воды в область низких температур вода тратится на поглощение энергии, часть которой рассеялась бы. Использование в качестве точки прицела области с высокими температурами, свойственными ядру очага, приводит к уменьшению рассеивания энергии на излучение, мощность которого пропорциональна четвёртой степени температуры, согласно закону Стефана-Больцмана, а это в свою очередь требует увеличения интенсивности подачи воды.

Статья в формате PDF

4140 KB

лесные пожары

водяная пушка

тушение пожара

численное моделирование

1. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А.М. Гришин. – Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992. – 405 с.

2. Катаева Л.Ю. Анализ динамических процессов аварийных ситуаций природного и техногенного характера: дис. … докт. физ.-мат. наук. Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009.

3. 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.

4. Катаева Л.Ю., Постнов А.Д., Лощилов С.А., Масленников Д.А. О влиянии водного барьера на динамику развития лесного пожара в зависимости от рельефа местности // Пожаровзрывобезопасность. – 2014. – Т. 23, № 1. – С. 30–37.

5. Катаева Л.Ю., Прокофьева М.В. Применение метода крупных частиц для численного решения задачи зажигания жидкого топлива // Современные научные исследования и инновации. – 2012. – № 6 (14). – С. 1.

6. Перминов В.А. Математическое моделирование возникновения верховых и массовых лесных пожаров: дис. доктора физ.-мат. наук. – Томск: Томский госуниверситет, 2010. – 282 с.

7. Романов A.B., Катаева Л.Ю. Метод Патанкара и возможности его оптимизации // Наука и техника транспорта. – М.: РГОТУПС, 2008. – № 3. – С. 88–97.

Успешность борьбы с крупными лесными пожарами во многом определяется продуманностью стратегии тушения, основанной на анализе динамики взаимодействия пожара с подаваемой в очаг водой. Среди основных факторов, влияющих на процесс тушения, являются поглощение тепловой энергии на испарение и уменьшение доступа кислорода в зону горения за счёт образующегося водяного пара. Таким образом, эффективность тушения лесного пожара существенно зависит от режима и зоны подачи воды. Тушение лесных пожаров при ручном управлении процессом выбора точки прицела подачи воды зачастую приводит к снижению эффективности, т.к. точки уязвимости пожара, зачастую невидимы для глаза человека. В данной статье исследуется влияние температуры области, куда поступает вода на эффективность тушения пожара.

При моделировании тушения пожара рассмотрим сценарий, согласно которому предлагается подача воды в точку, ближайшую к водяной пушке, при условии, что её температура выше заданной. Согласно работам [0-0, 0] во фронте горения формируется несколько пространственных зон (прогрева, сушки, пиролиза или газификации, догорания конденсированных продуктов) с температурой, соответствующей преобладающему процессу, протекающему в конкретной зоне. Таким образом, задание критического значения температуры определяет потенциальную зону поражения в очаге горения.

При численном моделировании использовался метод крупных частиц [0] с оптимизацией размещения значений в памяти ЭВМ [0].

Проанализируем один из ключевых сценариев развития ситуации. Предположим, что интенсивности подачи воды недостаточно для тушения пожара, при этом он также будет распространяться, хотя и существенно медленнее, чем в случае, если бы не было предпринято никаких мер по тушению. На рис. 1 показана динамика пожара при Tcr = 450 К, wint = 1,25 кг/(м·с).

Рис. 1. Динамика распространения пожара при Tcr = 450 К, wint = 1,25 кг/(м·с)

Из рис. 1 очевидно, что области высоких температур изменяются незначительно по мере распространения лесного пожара, а скорость газовой фазы существенно возрастает в области очага пожара и потока нагретых продуктов горения.

Для успешного тушения пожара [0] при температуре Tcr = 450 К, необходимое значение интенсивности воды wint = 2,38 кг/(м·с). Динамика скоростей и температур для этого случая показана на рис. 2. Обратим особое внимание на некоторые моменты времени, например, в момент времени 6 с – имеет место разрыв фронта пожара, при этом скорость газовой фазы направлена в сторону распространения пожара в основном в средней (по вертикали) части полога леса. В момент времени 6,4 с структура фронта восстанавливается, однако при этом уменьшается скорость распространения пожара и как следствие его энергия. На момент времени 6,8 с вода тушит переднюю часть фронта пожара в середине полога леса. Оставшиеся части очага выделяют недостаточно энергии для продолжения пожара и компенсации потерь энергии на испарение поступающей воды. Затем очаг пожара довольно быстро затухает.

Наиболее действенным, согласно проведённым расчётам, оказалось тушение пожара при Tcr = 800 К, что требует гораздо меньше воды (wint = 1,73 кг/(м·с)). Динамика тушения пожара при указанных параметрах показана на рис. 3. На первоначальном этапе тушения происходит срезание верхней части фронта пожара, но это не приводит к тушению, так как конвекция из нижней части фронта пожара способствует быстрому разогреву верхнего слоя лесных легковоспламеняющихся материалов и возобновлению горения. Рассмотрим подробнее некоторые моменты времени, например, на момент 1,2 с фронт пожара становится более или менее устойчивым, но затем в момент времени 1,6 с температура в нём падает, что негативно сказывается на скорости распространения и способности противостоять подаваемой воде. На момент времени 2,8 с происходит вспышка в нижней части фронта, но на ней сосредоточен обстрел водной пушки, и пожар угасает.

Рис. 2. Динамика распространения пожара при Tcr = 450 К, wint = 2,38 кг/(м·с)

Рис. 3. Динамика распространения пожара при Tcr = 800 К, wint = 1,73 кг/(м·с)

Динамика распространения пожара при температуре Tcr = 1500 К и wint = 2,68 кг/(м·с) представлена на рис. 4. В момент времени 0,8 с – на начальном этапе подачи воды значительно падает температура в верхней части полога леса и происходит разрыв фронта горения. На момент времени 1,6 с прицел подачи воды спускается в приземную зону, в результате чего подача воды прекращается уже при температуре ниже 1500 К, температура во фронте пожара остается высокой для возобновления горения, и уже на 2,4 с, она повышается по всей высоте пожара. После успешного понижения температуры в верхней части фронта пожара, прицел переносится в приземный слой, и температура в нём существенно снижается с момента времени 3,2 с до 4,8 с. В результате чего температура пожара становится недостаточной для его продолжения и его распространение прекращается.

Динамика движения точки прицела подачи воды, для случая интенсивности выше и ниже критической показана на рис. 5. На графиках видно, что до момента времени 0,3 с нет линий, так как моменту готовности источника подачи воды пожар находится вне досягаемости струи воды. В случае недостаточной интенсивности подачи воды (рис. 5, а), движение точки прицела носит беспорядочный характер, в основном выбираются точки в верхней части полога леса. На начальном этапе динамика точки прицела аналогична (рис. 5, б), однако можно наблюдать достаточно долгий промежуток времени подачи воды в нижнюю часть фронта пожара (2 – 2,8 с). Как видно из рис. 3, к моменту времени 2 с, наибольшие температуры сконцентрированы в нижней части полога леса, и в результате подачи воды энергия в меньшей степени распространяется вверх, что препятствует сохранению пожара.

Рис. 4. Динамика распространения пожара при Tcr = 1500 К, wint = 2,68 кг/(м·с)

а) б)

Рис. 5. Динамика движения точки прицела подачи воды при Tcr = 800 К, а – wint = 1,72 кг/(м·с), б – wint = 1,73 кг/(м·с)

Результаты численных экспериментов по моделированию тушения пожара по предложенному сценарию, при помощи заданного потока воды в двумерной постановке приведены в таблице.

Зависимость эффективности подачи воды от значения критической температуры

Таким образом, из результатов моделирования видно, что наиболее действенно тушение пожара при температуре 800 К. В случае если подача воды производится в область более низких температур, то есть вода тратится на охлаждение растительности, находящейся впереди кромки пожара, требуемая интенсивность увеличивается. Если вода не поступала бы в эту область, то часть тепловой энергии рассеялась бы за счёт внешнего поля скоростей. Выбор точки обстрела в области низких температур не приводит к катастрофическому росту требуемой интенсивности подачи воды. Использование в качестве точки прицела области с высокими температурами, свойственными ядру очага, приводит к уменьшению рассеивания энергии на излучение, мощность которого пропорциональна четвёртой степени температуры, согласно закону Стефана-Больцмана, 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, и пожар угасает, хотя и с несколько большими затратами воды.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 14-31-50104 «Исследование влияния способов подачи воды на процесс тушения слоя лесных горючих материалов в динамических условиях».

Библиографическая ссылка