Ветер – является одним из ключевых факторов, определяющих направление и скорость распространения лесного пожара. А это в свою очередь определяет динамику тушения пожара. В данной статье проводится анализ влияния скорости ветра на массовый расход воды, отнесённый к единице длины фронта пожара.
Расчёты, представленные в данной статье, получены на основе физико-математической модели лесных пожаров[2, 3, 6,8,10], с добавлением фазы свободной воды [5, 7]. Также как и в работе [9], в данной статье моделируется подача воды при помощи водяной пушки, однако исследуется влияние скорости ветра, а не рельефа и алгоритма выбора точки подачи воды.
Для численного решения поставленной задачи был применен метод крупных частиц, модифицированный для моделирования лесных пожаров [4]. Во всех расчётах, представленных в данной работе, используется следующий алгоритм выбора точки прицела. 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. 1-3 показана динамика лесного пожара при различных значениях скорости ветра над слоем лесных горючих материалов и значениях интенсивности подачи воды ниже и выше критического. На рис. 1представлена динамика тушения пожара при малой скорости ветра. Как видно из представленных на рисунках полях скоростей преобладает вертикальное распространение газовой фазы от очага горения. При интенсивности подачи воды ниже критической, в левой колонке рисунка, 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 создаёт избыток давления вследствие выделения энергии.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1 Динамика взаимодействия пожара с водой при слева - Wint=0,228 кг/(м·с), справа - Wint=0,23 кг/(м·с) и скорости ветра 1,33 м/с.
На рис. 2 представлена динамика тушения пожара при скорости ветра 6,67 м/с. В отличие от результатов, представленных на рис. 1 конвективной колонки не наблюдается ввиду большей скорости ветра. На момент 1 с в обоих колонках видно, что подача воды происходит в приземном слое ЛГМ.
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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2 Динамика взаимодействия пожара с водой при слева - Wint=0,744 кг/(м·с), справа - Wint=0,746 кг/(м·с) и скорости ветра 6,67 м/с.
На рис. 3 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. 2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3Динамика взаимодействия пожара с водой при слева - Wint=1,41 кг/(м·с), справа - Wint=1,412 кг/(м·с) и скорости ветра 10 м/с.
В таблицеприводится зависимость критической интенсивности подачи воды от скорости ветра. 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.
Зависимость критической интенсивности подачи воды от скорости ветра на верхней границе слоя ЛГМ
|
Скорость ветра на верхней границе слоя ЛГМ, м/с |
Критическая интенсивность подачи воды, кг/(м·с) |
|
1,33 |
0,229 |
|
2 |
0,425 |
|
2,67 |
0,451 |
|
3,33 |
0,493 |
|
4 |
0,531 |
|
4,67 |
0,538 |
|
5,33 |
0,689 |
|
6 |
0,699 |
|
6,67 |
0,745 |
|
7,33 |
0,799 |
|
8 |
1,018 |
|
10 |
1,411 |
Согласно известным экспериментальным и теоретическим данным [1] 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.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 14-31-50104 “Исследование влияния способов подачи воды на процесс тушения слоя лесных горючих материалов в динамических условиях”.
Рецензенты:
Карпухин В.Б., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Высшая и прикладная математика», Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения, г.Москва.
Петрухин Н.С., д.ф.-м.н., ординарный профессор Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», г.Нижний Новгород.