Влияние термокинетических параметров пиролиза и двухъярусности лесных горючих материалов на процессы распространения лесных пожаров

Лощилов, Сергей Андреевич

Влияние термокинетических параметров пиролиза и двухъярусности лесных горючих материалов на процессы распространения лесных пожаров тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Лощилов, Сергей Андреевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Влияние термокинетических параметров пиролиза и двухъярусности лесных горючих материалов на процессы распространения лесных пожаров»

Автореферат диссертации на тему "Влияние термокинетических параметров пиролиза и двухъярусности лесных горючих материалов на процессы распространения лесных пожаров"

На правах рукописи

Лощилов Сергей Андреевич

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПИРОЛИЗА И ДВУХЪЯРУСНОСТИ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРОЦЕССЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

5 ДЕК 2013

Н. Новгород-2013

005542496

Работа выполнена на кафедре прикладной математики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им P.E. Алексеева»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Катаева Лилия Юрьевна

Официальные оппоненты:

Кузнецов Гений Владимирович

доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института ГОУ ВПО "Национального исследовательского Томского политехнического университета"

Панченков Анатолий Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» факультета Морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева (НГТУ)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт проблем машиностроения Российской Академии Наук, Нижний Новгород

Защита состоится 25 декабря 2013 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.10 при НГТУ по адресу 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 1, ауд. 1307.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им P.E. Алексеева

Автореферат разослан «24» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Катаева Л.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

Основным фактором, поддерживающим горение, является тепловая энергия, большая часть которой выделяется за счёт процессов горения конденсированных и летучих продуктов пиролиза. Термокинетические характеристики процессов горения и пиролиза оказывают существенное влияние, как на качественную, так и на количественную картину пожара. Одной из фундаментальных задач в исследовании лесных пожаров является изучение кинетики процессов, их составляющих. Её актуальность и важность обусловлены противоречивостью информации о значениях термокинетических постоянных, характеризующих данные процессы, особенно при высоком темпе нагрева, наиболее характерном для лесных пожаров. Знание кинетики и механизма процессов пиролиза древесины и горения продуктов пиролиза является необходимым условием построения адекватных моделей зажигания и горения лесных горючих материалов, возникновения и распространения лесных пожаров.

Моделированию процессов пиролиза и нахождению его термокинетических постоянных посвящены работы таких авторов как Chang-Zhong Son, Lautenberger Chris, Miller R.S., Matala Anna, A.H. Кислицин, Г.В. Кузнецов и др. В них представлен ряд моделей пиролиза и алгоритмов решения обратной задачи. Использование полных моделей физико-химических процессов, включающих в себя сотни реакций, затруднительно. Включение большого количества физико-химических процессов в модели лесных пожаров привело бы к увеличению необходимого для решения задачи объёма вычислений, который и без того достаточно велик. На практике для решения данной проблемы чаще всего используется ограниченный набор ключевых реакций, обеспечивающих наилучшее соответствие действительности картины пожара (A.M. Гришин, А.Н. Кислицин, К. Akita и др.).

Среди распространённых приёмов определения термокинетических констант на основе экспериментальных данных является логарифмирование уравнения Аррениуса и его сведение к линейной регрессии (A.M. Гришин и др.). Данный приём обладает рядом ключевых ограничений. Во-первых, возможно использование только одной реакции. Если число реакций две и более, то теряются преимущества данного приёма. Во-вторых, если относительная скорость основной реакции не увеличивается за счёт роста температуры по закону Аррениуса, то величина энергии активации существенно занижается. Работы С.П. Синицына, А.И. Филькова и других опираются на эксперименты по нагреву образца при нескольких значениях постоянных температур, что позволяет свести задачу к использованию метода наименьших квадратов в простой форме. Недостатки данного метода проявляются в случаях, когда при температуре эксперимента существует несколько параллельных реакций с разными относительными скоростями. В результате убыль массы перестаёт иметь экспоненциальный характер, что может приводить к некорректным результатам при определении термокинетических постоянных, как следствие происходит искажение картины

горения при моделировании лесных пожаров. Как известно, при решении задачи определения эффективных термокинетических постоянных существует ряд сложностей, которые обрабатываются по-разному в различных работах. Например, в работах A. Matala используется генетический алгоритм, позволяющий находить параметры всех реакций упрощённой модели, наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. При помощи этого алгоритма анализируются данные о скорости убыли массы с ростом температуры. Достоинством данного подхода является возможность получения параметров всех моделируемых процессов, но если некоторые заведомо не сводятся к используемой модели, то полученные результаты будут некорректны.

V. Tihay и соавторы провели исследования распространения лесного пожара, положив в основу крупномасштабной модели предположение об эквивалентности процессов горения угарного газа и летучих продуктов пиролиза. Это позволило улучшить модель горения. Ими, на основе экспериментальных данных и численных расчётов, было проведено тестирование скелетных и глобальных механизмов горения. В работах X. Zhou и S. Mahalingam впервые была использована детальная кинетика для лесных горючих материалов, характерных для Средиземноморского региона, и получен скелетный механизм, состоящий из 49 реакций. Использование такого количества реакций при численном моделировании лесных пожаров требует большого количества ресурсов. N. Peters предложил использовать вместо сорока девяти всего четыре глобальных реакции и показал, что их достаточно для описания горения продуктов пиролиза лесных горючих материалов для Средиземноморского региона.

Хотя в лабораторных условиях можно обеспечить любой режим нагрева (в пределах возможностей оборудования), и сделать приближение расчётов к полученным экспериментальным данным, режим нагрева горючих материалов в реальном пожаре может существенно отличаться. Для решения таких задач производится контроль полученных результатов на основе эксперимента по распространению горения по слою исследуемого материала.

избыточного давления, имеет место его диффузионное распространение, что подавляет доступ кислорода при условии отсутствия на границе скорости подсоса. При формировании поля скоростей и давлений вокруг исследуемого горючего слоя характеристики вычисляются на основе гидродинамической задачи без аэродинамического сопротивления вне пористого материала, что при использовании закона Дарси внутри слоя приводит к минимальному проникновению газа в слой, блокируя подачу кислорода во время горения.

Признавая вклад упомянутых ученых, следует отметить, что на сегодняшний день не достаточно разработаны модели и инструменты, позволяющие моделировать процессы горения в тонком плотном слое лесных горючих материалов. Физические модели лесных пожаров требуют доработки с учётом высказанных ранее замечаний. Поэтому для решения задачи о распространении горения по тонкому плотному слою в данной работе, в отличие от известных подходов, предлагается использовать закон Эргана.

Анализ существующих методов нахождения термокинетических постоянных процессов пиролиза показал недостатки существующих методов и способов выбора параметров, минимизирующих их влияние на результат, поэтому представляется актуальной разработка нового алгоритма нахождения термокинетических постоянных, уточнение параметров пиролиза лесных горючих материалов и разработка модели горения тонкого слоя. Это обусловило выбор целей и задач исследования.

Объектом исследования является динамика горения слоя лесных горючих материалов.

Предмет исследования: процессы пиролиза и горения лесных горючих материалов и их химическая кинетика; распространение пламени по слою лесных горючих материалов с учётом вертикальной неоднородности; взаимодействие пожара в слое лесных горючих материалов с водной преградой.

Цель диссертационной работы состоит в формулировании математической постановки и теоретическом исследовании распространения горения в слое лесных горючих материалов с учётом термокинетики процессов пиролиза и аэродинамического сопротивления плотного слоя по формуле Эргана.

В соответствии с обозначенной целью поставлены следующие задачи диссертационного исследования:

- проанализировать существующие модели пиролиза и методы определения термокинетических постоянных;

- разработать алгоритм определения термокинетических постоянных и уточнить модель пиролиза по результатам термогравиметрических исследований при постоянном темпе нагрева;

- разработать модель горения тонкого плотного слоя лесных горючих материалов с учётом аэродинамического сопротивления по формуле Эргана и провести её верификацию.

- провести оптимизацию алгоритма расчёта газодинамики процессов на основе масштабирования распространения упругих волн;

- выполнить программную реализацию предложенных алгоритмов для моделирования процессов распространения горения при лесных пожарах;

- исследовать влияние двухъярусности лесных горючих материалов на динамику процессов горения и взаимодействие с водной преградой.

Научная новизна результатов работы

1. Впервые использована формула Эргана для учёта силы аэродинамического сопротивления в задаче о распространении горения по тонкому плотному слою лесных горючих материалов.

2. Впервые на основе интегральных соотношений разработан алгоритм определения термокинетических постоянных для двухстадийного механизма пиролиза.

3. Разработан алгоритм оптимизации расчёта гидродинамических процессов на основе масштабирования скоростей движения газовой фазы и упругих волн.

4. Проведен анализ влияния двухслойное™ среды на динамику ландшафтного лесного пожара и на эффективность его тушения с помощью водной преграды.

5. Разработана программная реализация описанных ранее алгоритмов.

Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в формулировании математической постановки задачи распространения горения по тонкому плотному слою лесной растительности и метода масштабирования скорости распространения упругих волн, позволяющей существенно увеличить шаг по времени и сократить время счёта.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в построении рекомендаций по использованию масштабирования скорости упругих волн при моделировании ландшафтных лесных пожаров, рекомендации по использованию алгоритмов определения термокинетических постоянных при решении обратных задач химической кинетики. Подходы, использованные при моделировании горения тонкого плотного слоя лесных горючих материалов, могут быть использованы для моделирования развития низовых пожаров в хвойных лесах. Результаты могут быть использованы для совершенствования системы мониторинга ландшафтных лесных пожаров с учётом двухслойности среды и определения наиболее опасных участков. Положения, выносимые на защиту

1. Разработан алгоритм определения термокинетических постоянных на основе интегральных соотношений и экспериментальных термогравиметрических данных, при постоянном темпе нагрева, для случая двухстадийного процесса пиролиза. Уточнены значения термокинетических постоянных процесса пиролиза хвои сибирской сосны.

2. Построена физико-математическая модель распространения горения по плотному слою с учётом аэродинамического сопротивления по формуле Эргана и алгоритмы расчёта на основе масштабирования скорости распространения упругих волн. Осуществлена верификация данной модели на основе сопоставления численных расчётов с результатами экспериментальных данных.

3. Показано, что при увеличении плотности слоя лесных горючих материалов около подстилающей поверхности увеличивается количество вода в водной преграде, необходимое для тушения пожара.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях: «4th Fire Behavior and Fuels CONFERENCE», 2013, г. Санкт-Петербург; Всероссийская научно-практическая заочная конференция «Достижения и приложения современной информатики, математики и физики», 2013, Нефтекамск; V Международная Научно-практическая Конференция «Наука вчера, сегодня, завтра» 2013, Новосибирск; XII Международная Научно-практическая Конференция «Естественные и математические науки в современном мире», 2013, Новосибирск; X Международная научно-практическая конференция «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии», Москва, 2013; Материалы XXII международной конференции «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира», Н. Новгород, 2013; Theoretical & Applied Science. ISPC «Advances in techniques & technologies», Milan, Italy, 2013. Результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород. Полученные результаты используются в российско-китайском исследовательском проекте, выполняемом при участии автора диссертации 13-03-91164 ГФЕН_а «Экспериментальное исследование кинетики и механизма термического разложения лесных горючих материалов и процессов распространения пламени по их слою».

Достоверность полученных результатов работы подтверждается физической обоснованностью и корректностью постановок предлагаемых задач, использованием хорошо апробированной общей модели лесных пожаров и корректным использованием известных численных схем, а также сравнением результатов численного моделирования и экспериментальных данных.

Личный вклад. В работах [6, 8, 10, 12, 13] автору принадлежит алгоритм решения обратной задачи химической кинетики определения термокинетических констант и расчёты. В работах [2-5] автор выполнил численные расчёты и их анализ. Личное участие автора состоит в математической формулировке задачи для распространения горения по плотному слою лесной растительности с учётом масштабирования упругих волн и формулы Эргана. Автор исследовал влияние двухслойное™ среды на динамику пожара в различных условиях. В совместных работах научному руководителю принадлежат постановка задачи и обсуждение результатов, а

также выбор методов исследования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации -116 страниц, включая 28 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, определяются цель и задачи, устанавливаются предмет и объект исследования,

показываются теоретическая и практическая значимость, научная новизна достигнутых результатов. Кратко освещается круг исследованных проблем и результатов, полученных ранее в области решения сопряжённых задач механики реагирующих сред и обратных задач химической кинетики.

Глава 1 является обзорной, в ней обсуждаются существующие подходы к определению термокинетических постоянных, моделированию лесных пожаров с учётом процессов пиролиза и распространения горения по плотному пористому слою. § 1.1 посвящен описанию основных этапов процессов пиролиза и горения древесины и их характерным температурам. В § 1.2 приводится обзор физических и математических моделей пиролиза и горения, а также модели распространения лесных пожаров. В § 1.3 проводится обзор методов проведения экспериментов для термического анализа.

Глава 2 посвящена вопросам решения прямой и обратной задачи пиролиза лесных горючих материалов. § 2.1 содержит обзор методов определения основных термокинетических постоянных процессов сушки и пиролиза растительных материалов и анализу особенностей существующих алгоритмов.

В § 2.2 приводится описание структуры и алгоритма, используемого для первичной обработки экспериментальных данных, полученных в 2013 году Коробейничевым О.П. и сотрудниками Лаборатории кинетики процессов горения Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук. Ввиду ограниченной точности весов, для получения корректных значений первой производной убыли массы на первом этапе было проведено сглаживание экспериментальных данных с помощью итерационного процесса:

Г7И+1 = тах(тт(^(г;11+277 + т»+1}т? + -б], (1)

где Т° - исходные экспериментальные данные, в- предполагаемая погрешность весов, нижний индекс - номер шага в экспериментальных данных по времени,

верхний индекс - номер итерации.

Другим способом сглаживания экспериментальных данных является группировка последовательностей строк с одинаковой массой и замена одной строкой, при этом температура и время считаются как среднее между

значениями с первой и последней строк.

На рис. 1 показано влияние метода обработки экспериментальных данных на вид дифференциальной термогравиметирческой кривой (ДТГ).

Рис. 1. Кривая ДТГ (а - обработка путём удаления повторных строк, б - обработка путём сглаживания с помощью итерационного процесса)

На следующем этапе экспериментальные данные приводятся к равномерной сетке при помощи известного алгоритма сплайн-интерполяции.

В § 2.3 приводится модель процессов, происходящих в экспериментальной установке, параметры которой подбираются при решении обратной задачи. Классически предполагается, что существует две последовательных реакции, причём продукт первой является реагентом для второй.

^=-ад = «Аехр(-|г) (2)

8т, „ . „ . „ , ____( Е

^=-Я2 + а1Я1;Яг = т2к2ех

^ = +а2/?2. (4)

5/ 2

При анализе экспериментальных данных предполагается, что масса экспериментального образца соответствует сумме масс каждой из рассматриваемых в модели компонент конденсированной фазы.

тЭКСп=Щ+т2+т3. (5)

В качестве начальных условий используются соотношения

т, (0) = 100; т2 (0) = 0; тъ (0) = 0. (6)

В уравнениях (2-6) приняты обозначения: г" - порядковый номер реагирующего вещества; масса /-м компоненты сухого органического

вещества в процессе реакции на момент /; кр Е] - предэкспонента и энергия активации у'-м стадии реакции пиролиза, подбираемые с помощью решения обратной задачи, о, - отношение массы продукта }-й стадии реакции к массе исходных веществ. Температура Т(1) изменяется по заданному закону. Во всех рассмотренных в данной работе экспериментах эта зависимость линейная.

В § 2.4 представлен предлагаемый алгоритм решения обратной задачи, а также сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными на основе решения прямой задачи с полученными значениями энергии активации и предэкспоненциального множителя. На начальном этапе определяется скорость относительной потери массы с помощью соотношения

М,

'tj+tj+A . (™Ы-4>))

где М, - скорость относительной убыли массы /-го компонента, время нау-м шаге сетки; /у+1 = г, + ДЛ; /0 - начальный момент времени в анализе данной

стадии, а, - величина условно нереагирующего остатка после г'-й стадии.

Перед запуском итерационного процесса делаются достаточно грубые верхняя и нижняя оценки энергии активации Етт и £тах. На каждой итерации выполняется далее описанный алгоритм. В начале итерации вычисляется значение £м = ^™1п£шах. являющееся на данном этапе предполагаемой энергией активации. Такой способ позволяет выбирать верхнюю и нижнюю оценки с большим запасом. Далее производится оценка скорости расхода вещества на основе предполагаемого значения энергии активации

___А Е/еи

тг = ехи -

КГ Л (8)

Данная величина включает в себя только относительное изменение убыли массы с изменением температуры, не учитывая самого значения данной величины. Определяется предэкспонента, при которой убыль массы по эксперименту совпадает с модельным расчётом при энергии активации

f7""" M.dT

к Jj™_I— (9)

Idlest -T ' v y

\™xmrdT

AT . T

где Tmin и Гшах -минимальная и максимальная температура анализируемого отрезка - соответственно. Затем находится расчётная относительная скорость потери массы

Mcalc=mrklesl. (Ю)

После этого оценивается квадрат ошибки (с учётом знака) отклонения экспериментальных значений от расчётных по следующему соотношению

£^{Мсак-М^МсЫс-М\. (И)

Положительный знак (11) указывает на то, что расчётная величина скорости

относительной потери массы больше экспериментальной.

На последнем этапе определяется знак интеграла

т +Т ■ л •'шах т-*пип

I = j^max г^Г - у™ 2 Ы уТ- (12)

Если интеграл (12) положителен, значит, расчётная скорость относительной потери массы принимает большие значения, чем экспериментальная, при более низкой температуре, но меньшие при более высокой. Это в свою очередь означает, что рост скорости реакции с температурой недооценён, и, следовательно, предполагаемая энергия активации является нижней оценкой Emin. В противном случае она является верхней оценкой £тах. Если заданная

точность не достигнута, то выполняется следующая итерация, иначе полученные значения £,е5( и Кхс%1 считаются окончательным решением.

На рис. 1 видно, что на начальном этапе нагрева существует дополнительная стадия в диапазоне температур около 350-420 К, которая соответствует прогреву образца и физико-химическим превращениям. При нагреве образца в инертной среде учитывались две стадии: первая стадия доминирует при температуре от 300 К до 450 К, а вторая от 500 К до 672 К. При этом термокинетические параметры первой стадии: =27,25 сек"1, £,=28287 Дж/моль, второй стадии - А:2=1,38-106сек"1; £=94935 Дж/моль. Условно нереагирующие остатки 01=0,96, а2=0,385.

При нагреве образца в окислительной среде (20% 02), было выявлено две стадии, что подтверждает результаты полученные другими авторами: первая стадия доминирует при температуре от 400 до 600К, а вторая от 660 до 730К. В результате термокинетические параметры первой стадии: А1=1,082-106 сек"1, £1=96696 Дж/моль, второй стадии - £2=9,489 107сек"'; £=140654 Дж/моль. Условно нереагирующие остатки (^=0,37, а2=0,216. При температурах ниже выбранного диапазона могут происходить другие реакции, которые не влияют на результат, что видно из рис. 2(а). После достижения температуры 750 К в инертной среде скорость убыли массы существенно снижается, но не прекращается полностью. Это означает, что в образце происходят реакции более глубокого разложения. Тем не менее, эти реакции не могут быть сведены к одной из стадий в предложенной модели (2) - (4), так как закон Аррениуса подразумевает увеличение скорости процессов с ростом темпераутры при наличии реагентов. В окислительной среде с высокой концентрацией 02 процессы глубокого разложения не происходили, так как при температуре 750-

а б

Рис. 2. - Сопоставление экспериментальных (пунктирная линия) и расчётных (сплошная линия) данных для нагрева образца а-в окислительной среде, б-в инертной среде.

Использование разработанного алгоритма позволило получить хорошее согласование экспериментальных и расчётных данных в областях температур, где существует доминирующая реакция, подчиняющаяся закону Аррениуса.

Глава 3 посвящена моделированию распространения процессов горения в слоях с различными размерами и значениями термокинетических постоянных.

В § 3.1 описывается подход, основанный на введении коэффициента понижения влияния перепада давления на ускорение газовой фазы у и соответствующая модификация уравнений общей модели лесных пожаров.

Уравнение сохранения количества движения проекций скоростей и и № д(р5и) д(р5и2) д{р51Ж) 1 дР д( диЛд(и дЛ

-+ + -=---+ —/л- +—\ и,- .

81 дх дг удх дхУ'дх) дгКГдг) (13)

- рфс¿и4иг +И/2,

д{р^) д(р51М) д{р^)_ \дР д ( ¿»Л Э/

81 8х 82 у 82 дхУ' Эх ) дг\Г' Зг ) (14)

- р^с^^и1^2 -

С учётом (13)-(14) зависимость давления от высоты, уравновешивающая силу тяжести в невозмущённой среде, определяется следующем образом

-М&у

Р = Р0е ят . (15)

Вследствие того, что предложенный в работе приём подразумевает уменьшение скорости звука пропорционально величине у, необходимо модифицировать граничные условия согласно соотношениям

(16)

I ум

х = 0:£/ = _£_£/ , (17)

£ . г — га \ л\1 /л 0\

Апах

Предложенный приём позволяет ускорить вычисления, не меняя качественную картину, внося контролируемую погрешность. Чтобы оценить её степень, была проведена серия численных экспериментов. На рис. 3 представлено распределение объёмной доли сухого органического вещества при различных значениях коэффициента у при распространении пожара через холм на различные моменты времени. Линия уровня соответствует величине, равной 0,5 от начального значения для леса, незатронутого пожаром. На начальном этапе развития пожара существенных отличий не наблюдается. По мере развития пожара передний край линии, соответствующей разложению 50% сухого органического вещества, становится более или менее выпуклым на различные моменты времени, что является периодическим процессом, на котором сказывается запаздывание пожара, обусловленное значением у. Такой подход может использоваться для более быстрого определения качественной картины пожара, принимая во внимание вносимую погрешность. Как видно из результатов, введение параметра у хотя и позволяет увеличить шаг по времени, но при этом создаёт устойчивую тенденцию к некоторому уменьшению скорости распространения пожара, и эта тенденция сохраняется на всём протяжении. Таким образом, данный приём следует использовать, контролируя вносимую погрешность путём сравнения динамики пожара при различных коэффициентах у.

1Е

10 20 30 40

х,м_

20 Х.М

0 10 20 30 40

х,м _

10 20 30 40

х,м _

10 20 30 40 х,м

5 6

2 0

Рис. 3. Распределение объёмной доли сухого органического вещества для коэффициентов уменьшения влияния перепада давления при у=1 (слева), у=4 (по центру) и у=16 (справа):

а-4 с, б - 16 с.

Влияние термокинетических постоянных процесса пиролиза при численном моделировании на динамику лесного пожара показано в § 3.2. Из представленных в работе результатов видно, что при увеличении энергии активации на 25%, пожар постепенно гаснет, а при уменьшении распространяется существенно быстрее. Увеличение и уменьшение предэкспоненты в два раза влияет на скорость распространения пожара и ширину фронта, но в меньшей степени, чем изменение энергии активации.

§ 3.3 посвящён моделированию распространения пожара в двухслойной среде. В отличие от задач, рассмотренных выше, в данном параграфе предполагается, плотность горючих материалов на высоте менее 40 см от земной поверхности составляет 8 кг/м3, что в 4 раза больше, чем в остальной части слоя. Очаг, расположенный в приземном более плотном слое растительности, имеет ширину 2 м и высоту 40 см.

На рис. 4 представлено распределение температур при распространении пожара с учётом двухслойности среды на различные моменты времени. Линии уровня соответствуют температурам 500 К, 1000 К и 1500 К (от внешнего к внутреннему контуру). На начальном этапе пожара контуры изотерм на равнине и на местности с холмом практически неотличимы. Дальнейшее развитие пожара показывает некоторое охлаждение плотного приземного слоя в момент 8 секунд, что не происходит у подножья холма. Уже на данном этапе можно заметить признаки предстоящего разделения фронтов: на высоте от 0 до 2 м имеет место высокая температура, связанная с горением приземного слоя и летучих продуктов его пиролиза, на высоте 2-4 м формируется второй фронт. На момент времени 12 с можно видеть, что фронт делится на две части, причём нижняя находится примерно на одинаковом положении, как в случае холма, так

и в случае равнины, а верхняя - существенно опережает, распространяясь по плато. В дальнейшем разрыв между фронтами горения становится всё больше, что можно видеть из рис. 4 на моменты времени 20-24 с. Следует также отметить больший наклон верхней части фронта при распространении пожара по плато холма.

повального лесного пожара с учётом двухслойности горючих материалов: а-по равнине, б - через холм

В § 3.4 моделируется тушение пожара с учётом двухслойности горючих материалов. В отличие от расчётов, представленных в предыдущем параграфе, используется модель взаимодействия пожара со свободной водой Предполагается, что водная преграда имеет ширину 40 см и плотность воды 20 кг/мЗ, высота 4 м, что соответствует высоте слоя, остальные параметры аналогичны использованным в предыдущем параграфе.

На рис. 5 показана динамика пожара при распространении через холм и равнину. Тонкая сплошная, штриховая и жирная сплошная линии соответствуют температурам 1500 К, 1000 К, 500 К. Стрелки отображают поле скоростей. Водный барьер показан в виде сплошной серой области, толщина которой соответствует распределению доли воды, оставшейся в барьере по высоте. На начальном этапе развития пожара картина приблизительно одинакова и не зависит от рельефа. На момент времени 8 секунд нагретые потоки газа обтекают барьер, практически не испаряя его. Следует отметить, что при распространении пожара по наветренному склону увеличивается скорость верхнего фронта. На момент времени 12 секунд пожар достигает преграды в случае распространения по равнине, что приводит к расходу

1 Белоцерковская И.Е. Математическое моделирование динамики лесных пожаров под воздействием внешних факторов: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Нижний Новгород, 2013.

энергии верхнего фронта на её испарение. При распространении пожара по плато холма наблюдается аналогичный эффект, хотя и несколько позже ввиду положения барьера. В обоих случаях нижний фронт пожара отстаёт от верхнего ввиду большей плотности лесных материалов и меньшей скорости ветра. Вследствие этого практически весь поток нагретой газовой фазы направлен на водную преграду. На момент 16 секунд показаны потоки нагретого газа при испарении преграды. На этот момент зона активного горения находится на расстоянии около 5 метров от преграды, что обеспечивает достаточный запас времени для её преодоления. Следует также отметить, ввиду совместного действия конвективных эффектов и внешнего поля скоростей, нижняя часть преграды испаряется слабо, и это приводит к прекращению горения нижнего плотного слоя. При распространении пожара по равнине, фронт пожара восстанавливается после прохождения барьера, но нижний слой уже не участвует в процессе. При распространении по холму пожар не успевает вновь набрать силу до подветренного склона, на котором он прекращается по причине того, что течение в области очага пожара направлено преимущественно горизонтально, и основная часть нагретых масс уходит из полога леса.

Рис. 5 Динамика лесного пожара при распространении через водную преграОу по равнине ( в левой колонке) и холм ( в правой колонке)

§ 3.5 посвящён вопросам моделирования распространения горения по тонкому плотному слою. В отличие от задачи о лесном пожаре, горение по тонкому плотному слою имеет ряд важных особенностей, таких как низкая скорость распространения пламени и высокое аэродинамическое сопротивление. Для более точного моделирования аэродинамического сопротивления используется формула Эргана в предположении о том, что сила

сопротивления зависит только от величины и направления скорости, но не от динамики её изменения. Уравнения (13) - (14) с учётом формулы Эргана примут вид

е(Р5и) д{р5Ц2) д{р5Ш)__1 дР д_Г ЯЛ Ц _

~дГ+ дх д2 ~ удх дхУ* дх) ,(19)

-и(кэ1+кэ2^и2+1¥2)

eip.IV) д(р5ШУ) д(р5И>1) __1дР 8_( 8ИГ\ д( ® _

5х 82 ' удг дх^'дх) (20)

- + кэ2-]и2+1¥2)- р5я, к 150(1~^2 ^ к -175^—(20)

Коэффициент пористости слоя е определяется исходя из плотности материала и плотности слоя. Для определения характерного размера пор в 2013 году Коробейничевым О.П. и сотрудниками Лаборатории кинетики процессов горения Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук был проведён эксперимент по измерению перепада давления до и после продуваемого слоя заданной длины при различных скоростях потока воздуха.

Как можно видеть, формула Эргана содержит линейное и квадратичное слагаемые, определяющие зависимость силы сопротивления от скорости потока. При решении задач с большим характерным размером пор, роль линейного слагаемого уменьшается и им, при моделировании лесных пожаров пренебрегают. На рис. 6 показана величина силы аэродинамического сопротивления в зависимости от скорости продувания тонкого слоя с различными характерными размерами пор. Пунктирная линия соответствует закону Эргана, а сплошная квадратичной зависимостью (согласно уравнениям (13) _ классически используемой для моделирования пожаров). При этом, коэффициент сл выбирался таким образом, чтобы сила сопротивления соответствовала закону Эргана, в предположении что к,,=0. Очевидно, с ростом характерного размера пор уменьшается не только сила сопротивления, но и

величина вклада закона Эргана.

На основе полной математической модели лесных пожаров, использованной для расчётов в параграфах 3.1-3.4, с учётом уравнений сохранения импульса в форме (19Н21) было проведено численное моделирование горения тонкого плотного слоя лесных горючих материалов.

О 0.05 0.1 0.15 0.2 V. м/с

Рис. б. Зависимость объёмной силы аэродинамического сопротивления от скорости продувания: а-Е=0.0045м, б-Е=0.0012м

В таблице 1 показаны результаты численного моделирования и экспериментальных данных. Из таблицы видно, что с ростом скорости ветра не наблюдается линейного роста скорости распространения горения.

Численные эксперименты показали, что для моделирования горения в плотном слое лесных горючих материалов даже на небольших участках (0,5-1 м) требуется использовать достаточно малый шаг по пространству, что с учётом необходимости моделирования газодинамики процессов требует использовать шаг по времени порядка 10' .

Таблица 1

Сравнение расчётных и экспериментальных данных

№ эк

скорость ветра м/с

0.4615

0.977

скорость горения (эксперимент), м/с

0.00773

0.00895

скорость (расчёт), м/с

горения

0.0083

0.0094

Таким образом, моделирование пожара потребовало бы десятки миллионов шагов по времени. Подход, основанный на масштабировании скорости упругих волн, оказался эффективным для снижения ресурсоёмкости задач такого плана. Результаты численного моделирования горения по тонкому плотному слою хорошо согласуются с экспериментальными данными. Таким образом, использование формулы Эргана позволило усовершенствовать модель распространения горения по тонкому слою.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной

работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В ходе исследования был проведён критический анализ моделей пиролиза с точки зрения их применимости к моделированию лесных пожаров и методов определения термокинетических констант. Показано, что существующие алгоритмы определения термокинетических постоянных, основанные на старших производных от убыли массы, чувствительны к погрешности экспериментальных данных, а генетические алгоритмы - ресурсоёмки.

2. Впервые на основе интегральных соотношений разработан алгоритм решения обратной задачи химической кинетики с учётом двухстадийного процесса пиролиза. Результаты, полученные с помощью данного алгоритма, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

3. Впервые предложен подход к уменьшению вычислительных затрат при моделировании динамики ландшафтных лесных пожаров, на основе масштабирования скоростей движения упругих волн и газовой фазы. Показано, что данный подход позволяет за счёт увеличения шага по времени обратно пропорционально скорости звука, не влияя на качественную картину процессов.

4. Проведён анализ влияния двухслойности лесных горючих материалов на динамику пожара при различных конфигурациях рельефа. Благодаря более высокой плотности и как следствие объёмной теплоёмкости нижнего слоя, в нём формируется второй фронт с более низкой скоростью.

5. Впервые использован закон Эргана для уточнения величины аэродинамического сопротивления в математической постановке горения плотного пористого слоя лесных горючих материалов.

6. На основе численных расчётов проведён анализ решения сопряжённой задачи о влиянии водной преграды на динамику пожара в двухслойной среде. Показано, что такой способ тушения пожара не эффективен при наличии нижнего более плотного слоя сухих лесных горючих материалов.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Масленников, Д.А. Особенности численного моделирования распространения суммарного теплового потока при лесных пожарах / Д.А. Масленников, И.Е. Белоцерковская, С.А. Лощилов [и др.]; под ред. Л.Ю. Катаева. - Н. Новгород: ООО «Стимул-СТ», 2013. - 109 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

2. Лощилов, С.А. Обработка экспериментальных данных термогравиметрии на основе интегральных оценок изменения скоростей реакции с ростом температуры/ С.А. Лощилов, О.П. Коробейничев, Д.А. Масленников, Ю В Котова Л.Ю. Катаева, A.A. Папецкий, М.Б. Гончикжапов // Современные проблемы науки и образования, 2013. № 6. (Электронный журнал) TTRT.- www.science-education.ru/113-10793 (дата обращения: 18.11.2013).

3 Постнов А Д. Влияние эффектов обтекания на динамику природного пожара в' условиях неоднородности рельефа / А.Д. Постнов, Д.А. Масленников, Л.Ю. Катаева, С.А. Лощилов // Современные проблемы науки и образования, 2013. № 6. (Электронный журнал) тTRIhttp://www.science-education.ru/113-10817 (дата обращения: 18.11.2013).

4 Белоцерковская, И.Е. Влияние водного барьера на динамику ландшафтных лесных пожаров / И.Е. Белоцерковская, Л.Ю. Катаева, Д.А. Маслеников, С.А. Лощилов // Естественные и технические науки, №3. - М.: ООО "Издательство "Спутник+", 2013 - с. 26-31.

5. Катаева, Л.Ю. О влиянии водного барьера на динамику лесного пожара в зависимости от рельефа местности / Л.Ю. Катаева, А.Д. Постнов, С.А. Лощилов, Д.А. Масленников // Пожаровзрывобезопасность, Т 23, №1 . -Москва: Издательство "ПОЖНАУКА", 2014

6. Лощилов, С.А Исследование влияния интенсивности сброса воды на динамику лесного пожара / С.А. Лощилов, Д.А. Масленников, А.Д. Постнов, Л.Ю. Катаева. // Естественные и технические науки, №6. - Москва: ООО "Издательство "Спутник+", 2013 - с. 17-23.

7. Лощилов, С.А О влиянии водного барьера на динамику лесного пожара в двухслойной среде / С.А. Лощилов, Л.Ю. Катаева, А.А. Лощилов, Д.А. Масленников // Инновации и инвестиции, №7. - Москва: ООО "Журнал "Инновации и инвестиции", 2013 - с. 244-245.

Статьи в рецензируемых журналах и трудах конференций

8. Kataeva, L.Yu. Algorithms for calculating the radiant heat flux during forest fires / L.Yu. Kataeva, D.A. Maslennikov, I.E. Belotserkovskaya, S.A. Loshchilov, N.A. Romanova // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, February 18 - 22, 2013. Raleigh, North Carolina, USA: Published by the International Association of Wildland Fire, Missoula, Montana, USA.

9. Loshchilov, S.A. Iterative algorithm of thermokinetic parameters estimation for wood pyrolysis process by experimental thermogravimetrical data / S.A. Loshchilov, L.Yu. Kataeva, D.A. Maslennikov // Theoretical & Applied Science. Materials of the ISPC «Advances in techniques & technologies», Milan, Italy, 2013. NolO, pp. 24-28.

10. Kataeva, L.Yu. The Impact of External Velocity Field on the Behavior of Landscape Fire / L.Yu. Kataeva., S.A. Loshchilov, D.A. Maslennikov, N.A. Romanova // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, February 18 - 22, 2013, Raleigh, North Carolina, USA, Published by the International Association of Wildland Fire, Missoula, Montana, USA.

11. Лощилов, С.А. Алгоритм решения обратной задачи определения термокинетических постоянных на основе модифицированного метода дихотомии / С.А. Лощилов, Л.Ю. Катаева, Н.А. Романова // Всероссийская научно-практическая заочная конференция «Достижения и приложения современной информатики, математики и физики», октябрь, 2013. С. 41-43.

12. Лощилов, С.А. Численное решение задачи о распространении горения и сопоставление результатов решения с экспериментальными данными / С.А. Лощилов, Л.Ю. Катаева, А.А. Лощилов // Наука вчера, сегодня, завтра. № 5(5) сборник статей по материалам V международной научно-практической конференции. — Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. С. 5-10.

13. Лощилов, С.А., Катаева, Л.Ю., Лощилов, А.А. Анализ зависимости энергии активации и предэкспоненциального множителя, при пиролизе древесины в окислительной среде, от процентного содержания кислорода./ С.А. Лощилов, Л.Ю. Катаева, А.А. Лощилов //Естественные и математические науки в современном мире №9-10(10) сборник статей по материалам IX-X международной научно-практической конференции. — Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013.-С.112-116.

14. Лощилов, С.А. Исследование влияния значений термокинетических постоянных пиролиза древесного топлива на динамику пожара /С.А. Лощилов, Л.Ю. Катаева, A.A. Лощилов // Материалы X Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии», Москва, 2013.

15. Катаева, Л.Ю. Моделирование обтекания двумерного воздушного обтекания лесного массива и процессов горения с использованием технологии CUDA / Л.Ю. Катаева, A.A. Носов, С.А. Лощилов // Материалы XXII международной конференции "Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира" - Н.Новгород: Стимул-СТ, 2013 -С.84-85.

16. Лощилов, С.А. Моделирование распространения загрязнений от лесных ландшафтных пожаров с использование параллельных алгоритмов / С.А. Лощилов, K.M. Roche, H.B. Галина, Л.Ю. Катаева. // Материалы XXII международной конференции "Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира" - Н.Новгород: Стимул-СТ, 2013. -С. 97-98.

17. Лощилов, С.А. Визуализация глобальных химических реакций на основе теории графов при моделировании процесса пиролиза лесных горючих материалов / С.А. Лощилов, R. Burke, A.M. Заварыгин, Л.Ю. Катаева // Материалы XXII международной конференции "Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира" - Н.Новгород: Стимул-СТ, 2013. - С.99-100.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА 1.0Б30Р МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ

ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ........................................................15

1.1. Основные этапы процессов пиролиза и горения древесины.....................15

1.2.Физические и математические модели процессов пиролиза и горения древесины............................................................................................................17

1.3. Термический анализ процессов пиролиза и горения древесины..............35

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ПИРОЛИЗА ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ.................................................................42

2.1. Обзор методов определения основных термокинетических постоянных 42

2.2. Первичная обработка экспериментальных данных...................................54

2.3. Математическое моделирование процессов пиролиза лесных горючих материалов...........................................................................................................57

2.4. Алгоритмы решения прямой и обратной задачи и анализ результатов.... 58

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЖАРА И ЕГО ТУШЕНИЯ В ДВУХСЛОЙНОЙ СРЕДЕ С УЧЁТОМ НАЙДЕННЫХ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ......................................................................................................63

3.1. Оптимизация численных расчётов на основе масштабирования процессов распространения упругих волн и конвективного переноса газовой фазы......63

3.2. Влияние термокинетических констант пиролиза на динамику лесного пожара..................................................................................................................72

3.3. Моделирование лесного пожара с учётом двухслойности горючих материалов...........................................................................................................84

3.4. Моделирование тушения лесного пожара с учётом двухслойности горючих материалов...........................................................................................91

3.5. Моделирование горения тонкого слоя на основе закона Эргана..............94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................98

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................99

Лощилов Сергей Андреевич

Автореферат

Подписано в печать 21.11.2013. Формат 60x68 х1\6. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 738. Нижегородский государственный технический университет им. P.E.

Алексеева. Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Лощилов, Сергей Андреевич, Нижний Новгород

ГОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им.

Р.Е. Алексеева

На правах рукописи

04201456221

Лощилов Сергей Андреевич

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

доцент

Катаева Лилия Юрьевна

Нижний Новгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ........................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА ЮБЗОР МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ

ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ........................................................15

1.1. Основные этапы процессов пиролиза и горения древесины.....................15

1.2.1. Модель газификации древесины..........................................................17

1.2.2. Обобщенная модель пиролиза и горения древесины..........................20

1.2.3. Упрощенный механизм горения пиролизных газов при лесном пожаре.............................................................................................................23

1.2.4. Модель процесса пиролиза в пористых частицах...............................24

1.2.5. Обобщенная модель для описания окислительного пиролиза...........25

1.2.6.0дностадийная модель пиролиза лесных горючих материалов.........27

1.2.7. Многостадийная модель пиролиза лесных горючих материалов......28

1.2.8. Влияние значений термокинетических постоянных на поведение моделей пиролиза и окисления......................................................................30

1.2.9. Физико-математические модели распространения лесных пожаров. 30

1.3. Термический анализ процессов пиролиза и горения древесины..............35

1.3.1. Методы и средства термического анализа..........................................35

1.3.2. Динамический механический анализ...................................................37

1.3.3. Синхронные и сопряженные методы термического анализа.............38

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ПИРОЛИЗА ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ................................................................42

2.1. Обзор методов определения основных термокинетических постоянных42

2.1.1. Применение модифицированного закона Герца-Кнудсена для определения термокинетических постоянных для процесса сушки растительных материалов..............................................................................42

2.1.2. Применение модифицированного закона Герца-Кнудсена для определения термокинетических постоянных при пиролизе органического

топлива............................................................................................................44

2.1.3. Определение термокинетических постоянных на основе двух термогравиметрических экспериментов с одинаковыми материалами и разными значениями температур...................................................................47

2.1.4. Определение термокинетических параметров для многостадийного процесса пиролиза..........................................................................................49

2.1.5. Обобщенный метод расчета термокинетических параметров по экспериментальным данным..........................................................................51

2.2. Первичная обработка экспериментальных данных...................................54

2.4. Алгоритмы решения прямой и обратной задачи и анализ результатов.... 58

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЖАРА И ЕГО ТУШЕНИЯ В ДВУХСЛОЙНОЙ

СРЕДЕ С УЧЁТОМ НАЙДЕННЫХ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ .................................................................................................................................63

3.1. Оптимизация численных расчётов на основе масштабирования процессов

распространения упругих волн и конвективного переноса газовой фазы......63

3.5. Моделирование горения тонкого слоя на основе закона Эргана..............93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................98

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................99

ВВЕДЕНИЕ

Лесные пожары ежегодно наносят существенный ущерб экологии и мировой экономике. Несмотря на постоянное совершенствование средств пожаротушения, а также систем мониторинга и предупреждения возникновения очагов возгорания, имеющиеся статистические данные свидетельствуют об отсутствии положительных тенденций в борьбе с лесными пожарами, как в России, так и в мире в целом. Согласно докладу Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН «State of World's Forests, 2007», ежегодно общая площадь пожаров лесов, степей и саванн в мире составляет более 350 млн. га. [36]. При этом площадь лесов, подверженных пожарам, превышает 200 млн. га, что около 5% от общей площади лесов в мире. В докладе также отмечается, что от 80% до 99% всех очагов возгорания возникают по вине человека. Данная статистика остается практически неизменной на протяжении последних десятилетий. Так, в США, согласно статистическим данным National Interagency Fire Center, в последние годы имеется тенденция к увеличению общей площади подверженных огню земель, которая в 2012 году составила более 3,7 млн. га [64]. В России борьба с лесными пожарами является важнейшим вопросом, в силу богатства ее лесных ресурсов. На территории РФ находится около 1/5 всех лесов мира и более половины всех хвойных лесов. Лес занимает около 50% площади страны. На территории лесного фонда России ежегодно регистрируется от 10 до 35 тыс. лесных пожаров, охватывающих площади от 0,5 до 2,5 млн. га. С учетом горимости огромного количества лесов на неохраняемых и эпизодически охраняемых территориях северных районов Сибири и Дальнего Востока общая величина пройденной огнем площади составляет от 2,0 до 5,5 млн. га [145, 146]. Согласно данным National Interagency Fire Center [64] в США несмотря на незначительное сокращение количества очагов возгорания, общая площадь выгорающих в год лесов за последние 20 лет увеличилась в несколько раз. Ситуация в

Нижегородской области, как в регионе с огромными лесными ресурсами, сходна с положением в России в целом. Общая площадь пожаров неуклонно росла в течение последних десятилетий и достигла максимального значения в 196047 га в 2010 году [119, 146]. Последние 3 года, ввиду менее засушливой и жаркой погоды в пожароопасный период, эта цифра была несколько меньше, однако существенных тенденций к снижению не имела. Данная статистика указывает на необходимость совершенствования методов и средств тушения лесных пожаров, что требует детального изучения процессов, протекающих при распространении огня в лесном массиве, а также разработки методов моделирования динамики лесного пожара.

обратной задачи. Использование полных моделей физико-химических процессов, включающих в себя сотни реакций, затруднительно. Включение большого количества физико-химических процессов в модели лесных пожаров привело бы к увеличению необходимого для решения задачи объёма вычислений, который и без того достаточно велик. На практике для решения данной проблемы чаще всего используется ограниченный набор ключевых реакций, обеспечивающих наилучшее соответствие действительности картины пожара (A.M. Гришин, А.Н. Кислицин, К. Akita и др.).

A. Matala используется генетический алгоритм, позволяющий находить параметры всех реакций упрощённой модели, наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. При помощи этого алгоритма анализируются данные о скорости убыли массы с ростом температуры. Достоинством данного подхода является возможность получения параметров всех моделируемых процессов, но если некоторые заведомо не сводятся к используемой модели, то полученные результаты будут некорректны.

V. Tihay и соавторы провели исследования распространения лесного пожара, положив в основу крупномасштабной модели предположение об эквивалентности процессов горения угарного газа и летучих продуктов пиролиза. Это позволило улучшить модель горения. Ими, на основе экспериментальных данных и численных расчётов, было проведено тестирование скелетных и глобальных механизмов горения. В работах X. Zhou и S: Mahalingam впервые была использована детальная кинетика для лесных горючих материалов, характерных для Средиземноморского региона, и получен скелетный механизм, состоящий из 49 реакций. Использование такого количества реакций при численном моделировании лесных пожаров требует большого количества ресурсов. N. Peters предложил использовать вместо сорока девяти всего четыре глобальных реакции и показал, что их достаточно для описания горения продуктов пиролиза лесных горючих материалов для Средиземноморского региона.

Большинство лесных пожаров начинается в подстилающей поверхности, представляющей собой тонкий плотный слой лесных горючих материалов. Характеристики данного слоя существенно отличаются от характеристик травы, используемых при моделировании степных пожаров, а также смешанного слоя кустарников и травы, используемого при моделировании низовых лесных пожаров. Данный слой характеризуется также высоким аэродинамическим сопротивлением, что становится важным фактором при моделировании его горения. В работах A.M. Гришина и др. для пористого материала для связи давления и поля скоростей с учётом аэродинамического сопротивления предлагается использовать закон Дарси. Достоинством данного подхода является снятие ограничения на шаг по времени, связанного со скоростью звука, при моделировании аэродинамики процесса, так как происходит пренебрежение инерцией газовой фазы в пористой среде. Однако при моделировании процессов горения, характеризующихся образованием избыточного давления, имеет место его диффузионное распространение, что подавляет доступ кислорода при условии отсутствия на границе скорости подсоса. При формировании поля скоростей и давлений вокруг исследуемого горючего слоя характеристики вычисляются на основе гидродинамической задачи без аэродинамического сопротивления вне пористого материала, что при использовании закона Дарси внутри слоя приводит к минимальному проникновению газа в слой, блокируя подачу кислорода во время горения.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальностей ВАК 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы: п. 7 «Фильтрация жидкостей и газов в пористых средах», п. 8 «Физико-химическая гидромеханика (течения с химическими реакциями, горением, детонацией, фазовыми переходами, при наличии излучения и др.)», п. 15 «Тепломассоперенос в газах и жидкостях», п. 19 «Гидродинамические модели природных процессов и экосистем».

Объектом исследования является динамика горения слоя лесных горючих материалов.

В соответствии с обозначенной целью поставлены следующие задачи диссертационного исследования:

- проанализировать существующие модели пиролиза и методы определения термокинетических постоянных;

— разработать алгоритм определения термокинетических постоянных и уточнить модель пиролиза по результатам термогравиметрических исследований при постоянном темпе нагрева;

— разработать модель горения тонкого плотного слоя лесных горючих материалов с учётом аэродинамического сопротивления по формуле Эргана и провести её верификацию.

— провести оптимизацию алгоритма расчёта газодинамики процессов на основе масштабирования распространения упругих волн;

— выполнить программную реализацию предложенных алгоритмов для моделирования процессов распространения горения при лесных пожарах;

— исследовать влияние двухъярусности лесных горючих материалов на динамику процессов горения и взаимодействие с водной преградой

Методологической основой работы служат труды отечественных и зарубежных авторов в области решения обратных задач химической кинетики, матема�