Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА С ХИМИЧЕСКИМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ НА ПРИМЕРЕ ВЕРХОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Андреева Н.Ю. 1 Квартальнова С.Е. 1
1 Филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»
Разработка математических моделей, описывающих распространение лесных пожаров, имеет большое прикладное значение. В частности, такие модели являются важным звеном для создаваемых автоматизированных командных пунктов по борьбе с лесными пожарами. К настоящему времени накопленные наблюдения позволяют строить так называемые феноменологические (формальные) модели, пригодные для целей прогнозирования. Цель данной работы состоит в оценке того, насколько имеющийся уровень знаний о природе лесных пожаров и существующие методы моделирования достаточны для практического прогнозирования поведения верхового лесного пожара. Актуальность работы определяется важностью разработки и созданием простых и надежных программных продуктов для численного моделирования процессов распространения верховых лесных пожаров.
лесной пожар
лесной массив
контрольный объем
нижний ярус
верхний ярус
1. Перминов В.А. Математическое моделирование распространения плоского фронта верхового лесного пожара // Вычислительные технологии. – 2006. – Т. 11. – С. 108-115.
2. Гришин А.М., Перминов В.А. Переход низового лесного пожара в верховой // Физика горения и взрыва. – 1990. – Т.26, № 6. – С. 27-35.
3. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. – Новосибирск: Наука, 1992. – 407 с.

К наиболее распространенным экологическим катастрофам относятся лесные пожары, приводящие к выгоранию больших лесных массивов и загрязнению атмосферы частицами сажи. Исчезновение лесов может существенно повлиять на жизнедеятельность человека вплоть до появления мутаций. Поэтому внимание ученых, занятых экологическими проблемами, сосредоточено на учете природных балансов, определяющих содержание в воздухе газов и влаги. В целом сохранение лесов представляет глобальную задачу.

Реальные масштабы горимости лесов России и размеры наносимого огнем ущерба до настоящего времени не установлены. Регулярные наблюдения за лесными пожарами ведутся только в зоне активной охраны лесов, охватывающей 2/3 общей площади лесного фонда. В северных районах Сибири и Дальнего Востока, охватывающих 1/3 лесного фонда, активная борьба с огнем и учет пожаров практически отсутствуют. В зоне активной охраны лесов ежегодно регистрируется от 10 до 30 тысяч лесных пожаров, охватывающих площадь от 0,5 до 2,1 млн га. Число пожаров, приходящихся на 1 млн га лесного фонда России, в несколько раз меньше, а средняя площадь одного пожара в несколько раз больше, чем в Европе и Северной Америке. Указанное обстоятельство, а также наличие больших неохраняемых территорий свидетельствует о сравнительно низком уровне противопожарной защиты лесов в нашей стране.

Математическая модель верхового лесного пожара

Пусть в бесконечном лесном массиве имеется плоский очаг повышенной температуры, расположенный перпендикулярно направлению ветра. Начало отсчета системы координат поместим на поверхности земли, ось x свяжем с направлением ветра, ось andr2.wmf направим вертикально вверх.

В области высоты h, расположенной выше уровня нижнего яруса леса andr4.wmf и ниже уровня верхней границы полога леса в плоскости xz, имеем уравнения, выражающие законы сохранения для многофазной многокомпонентной реагирующей среды:

andr6.wmf; (1)

andr7.wmf; (2)

andr8.wmf; (3)

andr9.wmf; (4)

andr10.wmf(5)

andr11.wmf; (6)

andr12.wmf; andr13.wmf andr14.wmf (7)

andr15.wmf andr16.wmf andr17.wmf andr18.wmf. (8)

Для приземного слоя атмосферы при andr19.wmf имеем следующую систему уравнений:

andr20.wmf; (9)

andr21.wmf; (10)

andr22.wmf; (11)

andr23.wmf; (12)

andr24.wmf; (13)

andr25.wmf; andr26.wmf (14)

здесь andr27.wmf andr28.wmf

andr29.wmf andr30.wmf andr31.wmf

andr32.wmf andr33.wmf

Система уравнений (1)–(14) должна быть дополнена соответствующими начальными и граничными условиями.

В начальный момент времени во всем контрольном объеме заданы распределения искомых функций

andr34.wmf andr35.wmf andr36.wmf andr37.wmf

andr38.wmf andr39.wmf;

andr40.wmf (15)

На левой границе расчетной области andr41.wmf известны параметры набегающего потока

andr42.wmfandr43.wmfandr44.wmf andr45.wmf

andr46.wmf

andr47.wmf andr48.wmf (16)

На правой границе контрольного объема ставятся «мягкие» граничные условия:

andr49.wmfandr50.wmf andr51.wmf andr52.wmf

andr53.wmf andr54.wmf (17)

На верхней границе значения искомых функций считаются известными и равными значениям функций в набегающем потоке на этой высоте:

andr55.wmf andr56.wmf andr57.wmf andr58.wmf

andr59.wmf (18)

Считается, что границы контрольного объема могут быть выбраны на достаточном удалении от фронта пожара, так что возмущения, вносимые ограниченностью рассматриваемого объема, слабо искажают характеристики вблизи фронта.

Граничные условия на уровне andr60.wmf (нижний ярус леса) получены в следующем виде:

andr61.wmf

andr62.wmf (19)

(andr63.wmf

При записи граничных условий (19) для нижнего яруса леса в отличие от системы уравнений (1)–(8) для полога леса учитывается собственный объем конденсированной фазы (andr64.wmf).

При определении уровня шероховатости andr65.wmf там выполняется равенство andr66.wmf. На границе раздела сред полог леса – приземный слой атмосферы должны выполняться следующие условия:

andr67.wmf

andr68.wmf

andr69.wmf

andr70.wmf

andr71.wmf

andr72.wmf;

andr73.wmf

andr74.wmf

andr75.wmf

andr76.wmf

Исследование влияния условий горения

При инициализации верхового лесного пожара в атмосфере развивается сложное поле течения газа. Динамический напор струи оттекающих продуктов горения, всплывание горячего газового объема приводят к тому, что в атмосфере возникают крупномасштабные вихревые структуры. Управляя подачей кислорода и тепла в зону горения, эти структуры, порожденные горением, сами оказывают определяющее влияние на скорость и критические условия горения.

Начальная стадия эволюции крупномасштабного вихревого движения в атмосфере играет главенствующую роль в процессе горения, поскольку на этой стадии формируется определенная интенсивность вихревого движения, происходит естественный отбор устойчивых вихревых структур и выясняется существенный вопрос – будет ли горение распространяться дальше или произойдет затухание. С точки зрения борьбы с пожарами понимание закономерностей начальной стадии пожара важно для принятия необходимых противопожарных мер.

Нестационарная задача о развитии очага горения в атмосфере решается численно. Прослеживается инициирование реакции на поверхности твердого топлива примыкающим к ней горячим газовым объемом, образование струи оттекающих продуктов горения, формирование вихревого движения, возникновение конвективной колонки и другие стороны явления.

Расчеты показали, что над очагом горения зарождается всплывающая струя горячих продуктов. Область приобретает «грибообразную» форму. Развитие очага горения показано на рис. 1, 2, где представлены изотермы, где Т0 – начальная температура.

andre1.tif

Рис. 1. Развитие очага горения. T=4T0 (1); 3T0 (2); 2T0 (3); 1,1T0 (4) (T0 – начальная температура)

andre2.tif

Рис. 2. Развитие очага горения (Обозначения см. на рис. 1)

Результаты

В процессе моделирования в среде программирования Delphi пользователю предоставляется следующая информация о моделируемом процессе и работе программы:

  • возможность выбора древесных материалов;
  • распределение значений концентрации кислорода во время всего процесса пожара;
  • распределение значений концентрации топлива;
  • распределение температуры;
  • соответствующие для трех распределений шкалы, отображающие соответствие между значением визуализируемого параметра и цветом, соответствующим этому значению.

Рассматриваемое приложение использовалось для проведения ряда расчётов, в которых были использованы имеющиеся экспериментальные данные. Рассмотрим некоторые из полученных результатов работы.

Рассмотрим, как будет развиваться верховой лесной пожар при составляющих скорости ветра по оси х и у, равных 5 м/с, и при минимальном параметре реакции термического окисления, что соответствует выбору древесного материала – сосна. При моделировании процесса горения через 60 и 120 секунд были получены следующие распределения температуры, концентрации кислорода и концентрации топлива (рис. 3).

andre3.tif

Рис. 3. Распределения температуры, концентрации кислорода и концентрации топлива

Заключение

Разработанная математическая модель приводит к эффективным численным алгоритмам и позволяет проводить количественный и качественный анализ распространения верхового лесного пожара.

На основе подходов, описанных выше, было разработано Delphi-приложение, моделирующее теплофизику механизма горения лесных пожаров. При работе с приложением пользователь может моделировать процесс горения леса. Воздействие на механизмы, определяющие горение, позволит выработать рекомендации экономичных способов тушения лесных пожаров. Разработанное приложение позволяет проанализировать, как изменится характер горения при моделировании различных параметров.


Библиографическая ссылка

Андреева Н.Ю., Квартальнова С.Е. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА С ХИМИЧЕСКИМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ НА ПРИМЕРЕ ВЕРХОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 2. – С. 10-14;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34875 (дата обращения: 27.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074