Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

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».