VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Лесной пожар является проблемой для любой страны. Для фундаментального исследования процессов возгорания, распространения, способов тушения и прогнозирования лесных пожаров службами охраны лесов и МЧС ежегодно тратиться большое количество времени и средств. Для углубления знаний о лесных пожарах исследователи занимаются изучением каждого процесса в отдельности. Например, авторы статьи [1] рассматривают горение и пожарную опасность древесины, бесспорно, что на возникновение и распространение лесных пожаров в большей степени влияют такие факторы, как влагосодержание лесных горючих материалов (ЛГМ), метеорологические параметры атмосферной среды. В данной статье также рассматриваются физико-химические основы и феноменологическая картина возникновения и развития процесса пламенного горения лесных горючих материалов, представлены закономерности термического разложения, показана связь химического состава с теплотой полного сгорания древесины и ее компонентов. В свою очередь, в статье [2] рассмотрена кинетика пиролиза лесных горючих материалов в инертной или окислительной среде при быстром и медленном темпах нагрева методами термогравиметрии и динамического масс-спектрометрического анализа, получены кинетические параметры и основные стадии процесса термического разложения ЛГМ.

В статьях [3-6] разработаны математические модели зажигания различных материалов нагретой до высоких температур определенных размеров и формы частицей в разных условиях, установлены зависимости времени задержки зажигания материала от начальной температуры и размеров локального источника энергии. В статье [7] описываются процессы самовоспламенения и процессы воспламенения от источника энергии. А автор статьи [8] представил результаты экспериментальных и теоретических исследований, чтобы определить необходимые и достаточные условий зажигания для древесины и других твердых топлив. В работе [9] в результате исследования получена зависимость времени зажигания образцов от влаги, содержащейся в них, построены кривые. Все лесные горючие материалы по условиям загорания можно разделить на две основные группы: легковоспламеняющиеся и быстрогорящие материалы – сухая трава, отмершие листья, хвоя, мелкие ветки, сучья, некоторые кустарники, самосев и др. Эти горючие материалы обеспечивают быстрое распространение огня и служат воспламенителями для медленно воспламеняющихся материалов, таких как валежник, пни, нижние слои лесной подстилки, кустарники и деревья. Эта группа горючих материалов при горении выделяет большое количество тепла и способствует развитию пожара. Экспериментальное исследование процессов зажигания частицей и предельные условия возгорания ЛГМ представлены в статье [10]. В работе [11] рассмотрен газофазный механизм воспламенения ЛГМ, а также разработана плоская физико-математическая постановка задачи о зажигании слоя лесных горючих материалов. Исходя из всего выше написанного, предотвращение возгорания и его прогноз является актуальным вопросом.

Цель настоящей работы – теоретическое и экспериментальное исследование теплопереноса в слое ЛГМ под воздействием нагретой до высоких температур частицы.

Объектом исследований являлись образцы, сформированные из типичного ЛГМ – травяной ветоши. Слои моделировались хаотичной укладкой на подложке. Плотность укладки соответствовала реальным природным условиям. Непосредственно перед проведением опытов образцы травяной ветоши высушивались в сушильном шкафу до полного испарения влаги из материала.

В эксперименте рассматривается сценарий катастрофической лесной пожарной опасности, когда влага в ЛГМ отсутствует. Использовалась экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1.

Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной установки : 1-нагревательный прибор, 2-штатив, 3-хромель-алюмелевая термопара, 4-керамический стержень, 5-устройство контроля температуры УКТ38-Щ4-ТП, 6-металлическая частица, 7-рабочая поверхность экспериментальной установки, 8-огнестойкая площадка,9-приемник излучения и регистратор пламени, 10-излучатель,11-вертикальный стеклянный цилиндрический сосуд, 12-аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 13- персональный компьютер.

Эксперименты проводились со стальными частицами в форме цилиндров размерами (диаметр dp и высота hp): а) hp = 1,7·10^-2м, dp = 0,8·10^-2м; б) hp = 1,3·10^-2м, dp = 0,6·10^-2м. Проведенные при отработке методики экспериментальных исследований постановочные опыты показали, что частицы с меньшими характерными размерами даже при нагреве до высоких температур не инициируют зажигания исследуемого лесного горючего материала. Температура частицы (Тp) существенно превышала начальную температуру ЛГМ. Для обеспечения достоверности результатов измерений опыты проводились 5 – 6 раз подряд в одинаковых условиях.

Для математической обработки результатов эксперимента была использована следующая методика [12]. Рассчитывались средние значения времени задержки зажигания травяной ветоши нагретой частицей для каждой фиксированной начальной температуры источника нагрева. Затем производился расчет среднеквадратичного отклонения и доверительного интервала с помощью коэффициентов Стьюдента.

Нагрев металлического диска до заданной температуры осуществлялся в нагревательной печи, обеспечивающей стабильную температуру рабочего объема (до 1523 К) в течение продолжительного времени. Нагретая частица падала с фиксированной высоты 0,15 м на слой лесного горючего материала. Моменты соприкосновения горячей стальной частицы с поверхностью ЛГМ и появления пламени фиксировались цифровой видеокамерой. Время задержки зажигания _ind определялось от момента контакта частицы с поверхностью исследуемого образца до момента появления пламени. Систематическая погрешность измерения начальной температуры частицы, оцениваемая по методике [4], не превышала 2 %. Погрешность измерения времени составляла ±25 % и определялась возможностью видеокамеры.

В данной работе рассматривается сценарий возникновения лесного пожара, когда влага отсутствует в ЛГМ. На поверхности почвы расположен слой ЛГМ. На данный слой падает нагретая до высокой температуры металлическая частица. Слой ЛГМ инертно нагревается. С ростом температуры происходит его термическое разложение. Основный механизм теплопередачи – кондуктивный.

Рис. 2. Геометрия области решения

Нестационарные дифференциальные уравнения теплопроводности для системы “большая частица - ЛГМ” (см. рис. 2), соответствующие сформулированной физической модели, имеют следующий вид.

Уравнение энергии для частицы:

ρ1c1∂T1∂t= 1∂2T1∂x2; L₂

Код для цитирования: Скопировать