Физическое и математическое моделирование природных пожаров и применение методов инфракрасной диагностики для их исследования тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

005056903

Лобода Егор Леонидович

ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНФРАКРАСНОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 3 ДЕК 2012

Томск-2012

005056903

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре физической и вычислительной механики.

Официальные оппоненты:

Вавилов Владимир Платонович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», лаборатория тепловых методов контроля, заведующий лабораторией

Доррер Георгий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет», кафедра системотехники, заведующий кафедрой

Орлов Юрий Федорович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», кафедра прикладной математики, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

Защита состоится 01 марта 2013 года в КЙ5 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина 36, в корпусе НИИПММ ауд. 239.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан 26 ноября 2012 г.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор

Гришин Анатолий Михайлович

учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Ученый секретарь диссертационного совета

Христенко Юрий Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальность темы и востребованность результатов работы связана с ростом числа природных пожаров с тяжелыми последствиями как для экологии, так и для хозяйственной деятельности человека, которые вызваны как природными явлениями, так и возросшей антропогенной нагрузкой. Примерами таких пожаров, которые можно приравнивать к чрезвычайным ситуациям, приведшим к катастрофическим последствиям и значительному материальному ущербу, могут являться лесные и торфяные пожары в Европейской части России в июле и начале августа 2010 года и летом 2012 г. в Томской области и Красноярском крае, пожары в Греции (2007, 2009 г.г.), в Австралии (2009 г.), в США (2008, 2009, 2011 гг.), а также пожар в мае 2000 г., в г. Лос-Аламос (США), в результате которого было уничтожено около 500 домов, все население города было эвакуировано, а деятельность знаменитой Лос-Аламосской лаборатории была под угрозой и велась в особом режиме.

На возникновение и распространение природных пожаров влияет большое количество факторов как климатических, так и связанных с деятельностью человека. В последние годы, в связи с активным обсуждением вопросов изменения климата, особое внимание к природным пожарам вызвано их влиянием на приземный слой атмосферы посредством выбросов значительных концентраций аэрозолей и газообразных продуктов горения. Так, например, по состоянию на 4 августа 2010 года облако от дыма лесных пожаров в Европейской части России по данным NASA достигало ширины в 3 000 км и поднялось на высоту около 12 км.

В данной работе приводятся результаты математического и физического моделирования сушки слоя лесных горючих материалов (ЛГМ). Приведены математическая модель сушки слоя ЛГМ, которая использовалась для решения сопряженной задачи с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ, а также предложены упрощенные математические модели, применение которых позволит делать опережающие прогнозы возникновения пожарной опасности. Кроме того, приводятся результаты экспериментальных исследований воспламенения и горения торфа, возникновения степных и полевых пожаров в результате чего получены параметры воспламенения, характеристики фронта горения. Необходимо отдельно отметить приведенные в данной работе результаты исследований характеристик пламени при горении растительных горючих материалов в инфракрасном (ИК) диапазоне. Были впервые выявлены характерные частоты изменения температуры в пламени, вызванные его неоднородной структурой, приведены результаты влияния пламени на регистрацию экранированных пламенем высокотемпературных объектов методами ИК-диагностики.

Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании сушки ЛГМ с использованием различных математических моделей, в том числе в сопряженной постановке с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ, выборе оптимальной модели сушки ЛГМ, исследовании возникновения и распространения лесных, степных

и торфяных пожаров, определении характеристик фронта горения, исследовании характеристик пламени при горении растительных горючих материалов при помощи методов ИК-диагностики и изучении особенностей регистрации высокотемпературных объектов в среднем ИК-диапазоне.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. В результате экспериментальных исследований сушки ЛГМ с использованием дозвуковой аэродинамической трубы МТ-324 впервые было установлено, что угол наклона плоскости слоя ЛГМ к горизонту в пределах 0°sas20° для ламинарного потока воздуха, скорость которого меняется в пределах от 0 м/с до 0.7 м/с, и плотность укладки элементов ЛГМ в пределах ps=(44.5-l 10.6) кг/м3 слабо влияют на процесс сушки.

2. Экспериментально найдены условия, при которых возможно распространение фронта низового лесного пожара от первоначального очага возгорания слоя ЛГМ.

3. Путем сравнения результатов математического моделирования с экспериментальными данными было установлено, что наиболее точной постановкой, адекватно описывающей ход суточных и сезонных изменений температуры воздуха, а также действия ветра и солнечного излучения, является двухтемпературная математическая модель, для построения которой использовалась теория процессов переноса в многофазных средах (Нигматулин Р.И., 1987) и представления о сопряженном тепло- и массообмене (Лыков A.B., 1968).

4. На основе анализа экспериментальных и численных результатов было показано, что внутри слоя ЛГМ отсутствует продольное течение газа, т.к. этот слой расположен ниже уровня шероховатости и на этом основании дана более простая модель квазиизотермической сушки.

5. Установлено, что осреднение уравнений тепло- и массоопереноса по высоте слоя ЛГМ не приводит к существенной погрешности в определении времени сушки слоя ЛГМ, что согласуется с анализом погрешности этого метода (Вольперт А.И., Худяев С.И., 1975).

6. Определены значения энергии воспламенения и критического влагосодержания для некоторых полевых растений, получены характерные значения и профили температуры внутри фронта горения степных и полевых пожаров с использованием ИК-методов измерения температуры.

7. Экспериментально установлено влияние ветра на геометрические характеристики факела пламени при степном пожаре и влияние ветра на скорость распространения фронта степного пожара, а также влияние фронта горения на деревянные ограждения и приземный слой атмосферы.

8. Экспериментально получены критические значения плотности энергии для воспламенения различных сортов торфа при помощи интенсивного теплового излучения. Определен коэффициент излучения для тлеющей поверхности торфа в спектральном диапазоне 2,5-2,7 мкм.

9. Получены частотные характеристики изменения температуры в пламени при горении степных горючих материалов как в лабораторных, так и в натурных условиях. Установлены характерные частотные максимумы в

диапазоне 2-7 Гц изменения температуры в пламени при скоростях ветра до 5 м/с.

10. Экспериментально определено влияние пламени при горении растительных горючих материалов на регистрацию высокотемпературных объектов в ближнем ИК-диапазоне.

11. Найдены коэффициенты ослабления пламени в диапазоне 2,5-2,7 мкм и установлена связь между регистрируемой энергетической яркостью объекта, истинной энергетической яркостью объекта и энергетической яркостью пламени.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. В выборе оптимальной математической модели сушки слоя ЛГМ, с одной стороны удовлетворяющей принципу равной точности, согласно которому точность входных данных (сведения о погоде, о структуре слоя ЛГМ, термокинетических постоянных, характеризующих высушивание ЛГМ), в основном определяет точность результатов математического моделирования, а с другой стороны позволяющей делать прогноз времени сушки (времени достижения критического влагосодержания ЛГМ) при возможно меньших затратах машинного времени.

2. Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований используются для проверки математических моделей возникновения и распространения природных пожаров и получения практических рекомендаций.

3. Представленные результаты по регистрации высокотемпературных объектов в среднем ИК-диапазоне позволяют упростить измерение температур при проведении экспериментальных исследований и повысить их точность при использовании тепловизоров, что в конечном счете позволит отказаться от использования большого количества термопар.

4. Полученные результаты успешно использовались при выполнении грантов и федеральных целевых программ: «Интеграция» (проект «Академический университет»), «Университеты России» - фундаментальные исследования, грантов РФФИ № 99-01-00363-а «Общая математическая модель и предельные условия возникновения и распространения лесных пожаров», РФФИ № 02-01-00714-а «Математическое моделирование влияния лесных пожаров на устойчивое функционирование городов, поселков и различных производств, расположенных на территориях, покрытых лесом», РФФИ № 08-01-99019-р_офи «Прогноз лесной пожарной опасности на территории Томской области с использованием новой математической модели, суперкомпьютера СКИФ-СуЬепа, спутникового мониторинга и геоинформационных систем», РФФИ № 10-01-91054-НЦНИ_а «Исследование воспламенения торфа и распространения торфяных пожаров», РФФИ № 11-01-00673-а «Математическое и физическое моделирование торфяных пожаров с целью их прогноза и снижения риска», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» г/к № П 1109 от 26.08.2009 г., НОЦ- г/к №02.740.11.0674, Гранта Президента РФ для государственной поддержки

молодых российских ученых № МК-4331.2011.1 «Физико-математическое моделирование возникновения и распространения степных пожаров. Определение коэффициента излучения пламени фронта степного пожара ИК-методами». Положения, выносимые на защиту:

1. Применение понятий и методов механики реагирующих многофазных сред для моделирования процесса сушки слоя лесных горючих материалов с целью прогноза изменения их влагосодержания со временем и с учетом наклона земной поверхности.

2. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований характеристик фронта горения степных, полевых пожаров и его воздействие на деревянные конструкции.

3. Экспериментально полученные значения времен задержки и критические величины плотности энергии воспламенения торфа под действием интенсивного теплового излучения и характеристики фронта горения с применением методов ИК-диагностики окружающей среды.

4. Результаты частотного анализа изменений температуры в пламени при горении растительных горючих материалов.

5. Экспериментально установленные:

связь между коэффициентом излучения пламени в узком спектральном интервале 2.5-2.7 мкм и влагосодержанием растительных горючих материалов;

зависимость между регистрируемой энергетической яркостью высокотемпературного объекта, экранированного полупрозрачной высокотемпературной средой (пламенем) и его истинной энергетической яркостью;

особенности регистрации высокотемпературных объектов в узком спектральном интервале 2.5-2.7 мкм, экранированных пламенем при горении растительных материалов. Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 57 работах, включая 12 работ из общего списка, рекомендованного ВАК России.

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных научных конференциях и форумах: "Пожары в лесу и на объектах лесохимического комплекса: возникновение, тушение, экологические последствия" (Томск, 1999), "Сопряженные задачи механики и экологии" (Иркутск, 1998), «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири» (Горно-Алтайск, 2000), «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 2000), «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященная 80-летию академика H.H. Яненко (Новосибирск, 2001), «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Иркутск, 2001), 7-я международная конференция «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (Томск, 2008), 8-я всероссийская конференция

«Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» (Томск, 2009), XVI международный сумпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2009), Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009), VI International Conference of forest fire research (Coimbra, Portugal, 2010), Вторая научно-практическая конференция с международным участием «Инновационная энергетика 2010» (Новосибирск, 2010), Молодежная научная конференция «Проблемы естествознания» (Томск, 2009), VI Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2010), X Международная конференция «Забабахинские чтения» (Снежинск, 2010), Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (Томск, 2010), Международная конференция «Седьмые Окуневские чтения» (С.-Петербург, 2011), XVII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011), Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления» (Владивосток, 2011), XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды» (Кемерово, 2011), International Conference on Fire Behaviour and Risk (Alghero, Italy, 2011), XVIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2011), Всероссийская научная конференция с международным участием «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф» (Томск, 2012), XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, 2012).

Достоверность полученных результатов в данной работе обеспечена корректностью постановок задач, строгом использовании численных методов, сравнении с экспериментальными данными, с данными других авторов, использованием различных независимых методик и статистической обработкой результатов измерений.

Личный вклад диссертанта заключается в разработке математических моделей, проведении численного моделирования и анализа его результатов, постановке и проведении экспериментальных исследований с анализом их результатов. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом как лично, так и совместно с научным консультантом д.ф.-м.н., проф. A.M. Гришиным. Вклад диссертанта в основные результаты исследований определяющий. Все результаты совместных работ и выводы, включенные в диссертацию получены автором лично. Представление изложенных в работе результатов согласовано с соавторами.

Объем и структура диссертации. Общий объем работы 287 страниц, в ней содержится 109 рисунков, список литературы включает 207 наименований. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели работы, обоснована актуальность темы исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту и даны краткое описание структуры диссертации и аннотация ее глав.

В первой главе приводится обзор исследований по теме диссертаций. Дается обзор экспериментальных и теоретических исследований по проблеме прогноза и моделирования природных пожаров. Приводится описание и сравнение известных российских, разработанных Г.В. Нестеровым, A.M. Гришиным, Г.Н. Коровиным, Г.А. Доррером, А.И. Сухининым и зарубежных (канадской и американской) методик прогноза пожарной опасности с анализом достоинств и недостатков. На основе чего делается вывод, что решение задачи о прогнозе пожарной опасности, использующее методы и подходы механики сплошных многофазных сред и учитывающее влияние ветра, солнечного излучения, наклона подстилающей поверхности отсутствует, а существующие методики прогноза пожарной опасности не являются физически обоснованными и основываются на анализе статистических данных, полученных для определенных территорий. Также приводится обзор работ, посвященных математическому и физическому моделированию возникновения и распространения лесных, степных и торфяных пожаров. Из него следует вывод, что наиболее содержательными с физической точки зрения и наиболее общими являются модели лесных и торфяных пожаров Заслуженного деятеля науки РФ, профессора A.M. Гришина, которые используются для создания частных моделей в том числе зарубежными учеными (D. Morvan, Франция).

Кроме того, приводится обзор работ по методам ИК-диагностики и особенностям их применения. Значительная часть исследований в области ИК-диагностики связано с измерением температур твердых сред. Методы ИК-диагностики очень широко применяются для исследования поведения микроэлектронных устройств (W. Huang, К. Skadron, S. Gurumurthi и др., 2009).

В области исследования природных пожаров использование термографии используется достаточно редко ввиду сложности исследуемого объекта и недостатка знаний его свойств, например, коэффициента излучения (е.) и дороговизны тепловизоров, пригодных для научных исследований. Однако, ввиду перспективности данного способа определения характеристик фронта горения можно отметить работы (P. Boulet и др., 2011; С. Qiati, К. Saito, 1995; F. Rinieri, J.-H. Balbi, P-A. Santoni, 2006), где рассматриваются измерения параметров лесного пожара в среднем ИК-диапазоне длин волн, а в работах (Dupuy J. и др., 2007; Tadashi Konishi и др., 2000) приведены результаты исследований для спектральных интервалов 7,5-13 мкм и 8-12 мкм соответственно.

В работе (J. Meléndez и др., 2006) приведены спектры излучения пламени, образующегося при горении растительных горючих материалов и приведены результаты исследований излучения от фронта пожара на длинах волн 3,6, 4,8,

4,2 мкм. Приведены соответствующие коэффициенты пропускания для этих длин волн.

В работе (W.T. Rawlins и др., 2001) изложены спектры излучения и особенности ИК-измерений для различных газов в том числе паров воды и углекислого газа, разогретых до температуры 2000 К.

В работе (Е. Pastor и др., 2002) приведены результаты исследований по влиянию слоя пламени на регистрацию абсолютно черного тела в диапазоне 7,513 мкм при диапазоне изменения температуры абсолютно черного тела от 253 до 1773 К. Следует отметить, что в данной работе приведена зависимость регистрируемой интенсивности излучения от характеристик исследуемых объектов для указанного диапазона длин волн. Однако, в этом диапазоне длин волн отсутствует достаточно интенсивное излучение от самого пламени, что показано на спектре излучения пламени в работе (W.T. Rawlins и др., 2001). Кроме того, в работе (Е. Pastor и др., 2002) приведены зависимости коэффициента излучения пламени для указанного диапазона длин волн в зависимости от толщины слоя пламени. Следует отметить, что эти результаты пригодны лишь для указанного спектрального интервала, т.к. в других интервалах возможно присутствие излучения от паров воды и С02, образующихся при горении, концентрация которых может зависеть от типа горючего, его химического состава и влагосодержания.

Во второй главе «Математическое моделирование сушки слоя ЛГМ в сопряженной постановке и физическое моделирование условий распространения низовых лесных пожаров» приводится математическая модель сушки слоя ЛГМ и экспериментальные исследования сушки для проверки результатов математического моделирования и определения условий при которых возможно возникновение и распространение лесного пожара.

Математическая модель сушки сформулирована с учетом следующих допущений (Гришин A.M. и др., 2001):

1) Все параметры состояния не зависят от координаты у (рассматривается плоская задача).

2) Среда ЛГМ состоит из сухого органического вещества с объемной долей <р , воды в связанном с веществом состоянии с объемной долей <р2, свободной воды с объемной долей фз и воздуха с объемной долей ф4, который состоит из паров воды и остальных компонентов.

3) Элементы напочвенного покрова имеют один и тот же характерный размер и удельную поверхность, и представляют собой капиллярно-пористые коллоидные тела.

4) В слое ЛГМ имеются включения в виде капель дождя в случае дождливой погоды и пары воды. До момента достижения предельного влагонасыщения <р*

капли дождя впитываются в элементы ЛГМ, а затем при <рз > ^ оседают на

почву со скоростью w3.

5) В пограничном слое реализуется ламинарный режим течения над слоем ЛГМ, а над пограничным слоем скорость ветра не меняется со временем и скорость следует логарифмической зависимости от высоты.

6) Газовая фаза представляет собой эффективную бинарную смесь водяного пара и воздуха.

7) В напочвенном покрове имеет место фильтрация влаги под действием капиллярных сил из почвы к верхней границе слоя.

Система уравнений пограничного слоя имеет следующий вид:

Эх дг

( Эи Эи\ д I Эи\ ЭРе . пл

зре (3)

-= -pgcosа V>

дz

Р _р!Е = ^ + ^ (4)

е м ' м м, м2

+ (5)

^ Эх Эг ) Эг^ дг )

" \ Эх дг) дг) 42 2

Здесь р - плотность, и, V/ - проекции скорости на оси х и г; Ре - давление на внешней границе пограничного слоя; С2 - массовая концентрация водяных паров в воздухе; С1 - массовая концентрация всех остальных компонентов воздуха (азота,, кислорода, двуокиси углерода и др.); Т - абсолютная температура; Ср= Ср1С!+ Ср2 С2 - теплоемкость газовой фазы; Ср1 и Ср2 -теплоемкость водяного пара и воздуха; ц, X, Б -молекулярные коэффициенты динамической вязкости, теплопроводности и диффузии соответственно;

массовая скорость конденсации паров воды, которая происходит с тепловым эффектом а - угол наклона между касательной плоскостью к подстилающей поверхности и горизонтальной плоскостью.

Систему уравнений (1)-(6) следует решать с учетом следующих граничных и начальных условий

и1г-Ь+0 " 0 > Ыг-„+0 -Мж.Ь-0 ' Ти+0 -Ти-о'С2и+0 -С2|2.ь_0(7)

2=оо: т = Те , и = ис , ш = , С, =С2е (8)

х = 0: Т = Т„ , и = и„ , ш = 0 , С2 = С2е (9)

Здесь индексы оо и е приписываются параметрам невозмущенного потока и на внешней границе пограничного слоя. Другие граничные условия (условие баланса энергии и массы компонентов) берутся из условий сопряжения.

Система уравнений тепло- и массопереноса для слоя ЛГМ имеет следующий вид:

+ ^ = 0 (10) Я дг

J т (И)

dt dz I dz [ 0Z /

Э(Р1СР1 )i n D к;2р2Ф2 ■ = U, K2i =

at Vt

P°2 exp' ~ IT

a(p2<P2)i^2q>2W2)i=R(i)_R2i;Ulj N (13)

at dz

'¿(ir^bl—<15)

Д(рзФз),^(Р2ФЗ«з),._Кз._к?)и|.....„ (,6)

,apc2_ ^ jgwc, x _ ±, iCj\ ( + x

{ at dz )dz{ sdz)

(17)

N N к;з(рзфз);

R2 = 2R2i.R3 - 2R3i.R3i L 1 i-l i-l vT

P03exp(-^)-P2

PRT (18)

M M M, M2 Здесь и выше Q - суммарная скорость испарения воды, связанной с сухим органическим веществом и свободной воды; Ts - температура конденсированной фазы, которая состоит из сухого органического вещества, свободной и связанной воды; R.2 - массовая скорость испарения связанной воды; R3 - массовая скорость испарения капель свободной воды, прилипших к элементам ЛГМ; Q=R2+R.3 - суммарная массовая скорость образования паров воды в слое ЛГМ; оц, = as"S - коэффициент объемного конвективного теплообмена между элементами ЛГМ и воздухом; as - коэффициент поверхностного конвективного теплообмена; S - удельная поверхность слоя ЛГМ; Ur - осредненная по частотам плотность потока излучения; к, -коэффициент ослабления излучения в слое ЛГМ; qRS - плотность лучистого теплового потока в слое ЛГМ (Гришин A.M., 1981); К - коэффициент молекулярной теплопроводности воздуха в слое ЛГМ; Ds = qvD, где D -коэффициент молекулярной диффузии паров воды в слое ЛГМ; Р2 -парциальное давление паров воды в слое ЛГМ; kj2, ki3 - предэкспоненциальные множители для процесса сушки типичного i-ro элемента ЛГМ; L - мольная теплота испарения для воды; р(0 и рСО - предэкспоненциальные множители в

законах сушки i-ых элементов ЛГМ; q2 - удельная теплота испарения воды; (pi<pi)i - плотность сухого вещества i - ой фракции в кг/м2; (ргфгй - плотность связанной воды в i - ой фракции ЛГМ в кг/м3; (рзфз)т - плотность свободной воды, налипшей на i - ую фракцию элементов ЛГМ в кг/м3; а - постоянная Стефана-Больцмана; С - скорость света; w2i — скорость фильтрации связанной

воды в i-ом элементе ЛГМ; w3; - скорость осаждения свободной воды под действием силы тяжести для i-ro элемента ЛГМ; ф=1-ф<; 1 - объемные

i=l

доли газовой и конденсированной фаз в слое ЛГМ; - массовая скорость

влагонасыщения i-ых элементов ЛГМ; ksi - константа скорости влагонасыщения i-ro элемента ЛГМ; ф^ - объемная доля, воды, соответствующая состоянию

влагонасыщения i-ro элемента ЛГМ; ри, р2;, рз, - плотности сухого органического вещества; воды, связанной с сухим органическим веществом и воды, налипшей на элементы i-ой фракции ЛГМ; N - количество фракций в слое ЛГМ; h - высота слоя ЛГМ.

Граничные и начальные условия для основной системы уравнений имеют

вид:

Для газа в макропорах слоя ЛГМ и для сухого органического вещества над почвой имеем граничные условия первого рода или третьего рода

Т|г-о = Т0 ' Ts|2,o = Т0,

<зт

Ех

1 dz

dz

(19)

= «П(Т-Т,

Mz-O'

На верхней границе слоя ЛГМ имеет место баланс радиационной

энергии

Чк1г.„+о =qR(h)-(l-A)-esoTs495+Ja

(20)

где ЧиО^Чш+Яш, Яш и Ям - коротковолновые плотности потоков прямой и рассеянной солнечной радиации; 1а - плотность потока длинноволновой радиации от атмосферы, обусловленный наличием в ней пыли, водяного пара и многоатомных газов; А - альбедо слоя (доля падающего радиационного потока, отраженная в окружающую среду), -г5аТ54ф5 - плотность длинноволнового радиационного потока от ЛГМ на подстилающей поверхности.

Баланс энергии для газовой фазы и равенство температур на верхней границе слоя ЛГМ

шЛ — dz

■- ф X— dz

' ти0=ти_0,Ф = 1-Ф5

Баланс тепловой энергии на границе "газ-конденсированная фаза"

ФЛ

ЭТ5 dz

àz

+ Sq>5qsRs-<p1qR|

(21)

(22)

Баланс массы водяного пара на верхней границе слоя ЛГМ и равенство концентрации

pD^

3z

"(pwC2)|z.

2-Ь+О

с,І

(pdÇ) (23)

Закон сохранения массы газовой фазы на границе раздела сред

С учетом (24) граничные условия (23) принимают вид

.ас,

PD^ Sz ,

+<pRAL- pD

dz

Начальные условия для рассматриваемой задачи имеют вид

т1,-0 =т» > т*1,„0 > С2|,_0 = с211 (26)

Ч-о-О'^и-ч»™ .

Здесь Ts - температура к-фазы в слое ЛГМ; qR(h) - плотность Солнечного излучения на верхней границе слоя ЛГМ, А - альбедо слоя ЛГМ (Гришин A.M., 1992), es - коэффициент черноты слоя ЛГМ, а - постоянная Стефана-Больцмана, s - коэффициент черноты газовой фазы, Ja - лучистый тепловой поток длинноволновой радиации (Гришин A.M., 1992); cps =ф,+ф2+ф3 - объемная доля

конденсированной фазы в слое ЛГМ; Ф=Ф4+Ф5 - объемная доля газодисперсной

фазы в слое ЛГМ; р=р4ф4 - плотность газовой фазы в слое напочвенного

покрова; р4 - истинная плотность газовой фазы соответственно, а ф(, гр^ ср^ ф^ -

обозначают объемные доли сухого вещества ЛГМ, объемной доли связанной с сухим веществом воды, свободной воды и газовой фазы (воздух и пары воды) в напочвенном покрове.

Рис. 1. Убыль массы слоя хвои ели от времени: 1 - при Т=96°С; 2 - при Т=70°С; 3 - при Т=52°С; 4 - при Т=30°С

ТС 320 3« МО эво <00

1, МИН

Рис. 2. Убыль массы слоя хвои сосны от времени: 1 - при Т=96°С; 2 - при Т=70°С; 3 - при Т=52°С; 4 - при Т=30°С

В дальнейшем система уравнений для тепло- массообмена в слое ЛГМ осреднялась по толщине слоя и приводилась к каноническому виду, а система уравнений пограничного слоя приводилась к безразмерному виду в переменных Дородницына-Лиза. Результаты решения сопряженной постановки задачи сравнивались с экспериментальными данными, полученными для сушки различных типов ЛГМ при разных температурах. Было получено хорошее согласование результатов. Различие расчетных значений и экспериментальных данных в целом не превышает 15% (см. рис. 1, 2).

В третьей главе «Математическое моделирование сушки слоя ЛГМ в упрощенной постановке. Сравнение с результатами решения сопряженной постановки задачи и экспериментальными данными» приводятся две

упрощенные постановки задачи (одно- и двухтемпературная), в которых не учитывается течение в пограничном слое, но при этом имеется значительный выигрыш во времени счета, позволяющий давать опережающий прогноз с несущественным ростом погрешности (расхождение от сопряженной постановки по времени сушки и основным параметрам для однотемпературной модели не превышает 11%). Следует отметить, что для однотемпературной модели был определен предел применимости: модель адекватно ведет себя только до 14 часов дня, когда наблюдается рост температуры и солнечного излучения. После 14 часов модель дает существенные расхождения, связанные с отсутствием учета конденсации влаги. Можно сделать вывод, что учитывая относительную простоту модели и малые затраты машинного времени (4 мин), с ее помощью можно делать наиболее важные, так называемые, утренние прогнозы.

Необходимо отметить, что двухтемпературная упрощенная постановка задачи подобных недостатков лишена и расхождение ее результатов от сопряженной постановки задачи не превышает 3%. Учитывая, что время счета при решении раздельной постановки задачи составляет 12 мин, раздельная математическая модель сушки является предпочтительной.

Также было проведено параметрическое исследование для сезонных и суточных изменений температуры для различных сценариев сушки ЛГМ. Из анализа рис. 3 следует, что процессы сушки на различных типах почв отличаются только на начальном этапе этого процесса, а потом постепенно сближаются. Очевидно, что пожарная опасность на песчаных почвах значительно выше, чем на глинистых. Это связано с тем, что влага, находящаяся в слое ЛГМ, на песчаных почвах уходит под действием капиллярных сил в почву, а на глинистых почвах этот эффект незначителен. Кроме того, температура песчаных почв выше температуры глинистых почв, что несомненно оказывает влияние на процесс сушки, а точнее ускоряет его.

В третьей главе также даны экспериментальные и численные исследования сушки ЛГМ при различных углах наклона земной поверхности.

На рис. 4 показаны зависимости убыли массы хвои сосны от времени при различных углах наклона плоскости, которые получены в результате численного решения задачи и лабораторных экспериментов. Кривые 1-4 соответствуют лабораторным исследованиям, а кривые 5-8 - теоретическим. Очевидно, что доверительные интервалы для всех экспериментальных кривых во всех точках пересекаются и можно сделать вывод, что влияние угла наклона плоскости не существенно.

Рис. 3. Изменение массовой концентрации паров воды и отношения объемной доли воды в связанном с веществом состоянии к ее критическому значению. 1 - сценарий критической пожарной опасности на песчаных почвах, 2 - сценарий катастрофической пожарной опасности на типичных почвах, 3 - сценарий катастрофической пожарной опасности на глинистых почвах, 4 - сценарий средней пожарной опасности на песчаных почвах, 5 - сценарий средней пожарной опасности на типичных почвах, 6 - сценарий средней пожарной опасности на глинистых почвах, 7 - сценарий низкой пожарной опасности на песчаных почвах, 8 - сценарий низкой пожарной опасности на типичных почвах, 9 - сценарий низкой пожарной опасности на глинистых почвах.

т/т0

Рис. 4. Экспериментальные и теоретические результаты убыли массы хвои сосны при различных углах наклона плоскости: 1 - р5 =55.3 кг/м3, Ш5=41.3%, Ре=751 мм рт.ст., ф=32%, Т„=302К, а=0°, Уе=0 м/с; 2 - р3 =55.3 кг/м3, УУ5=34.17%, Ре=756 мм рт.ст., ф=28%, ТН=302К, а=20°, Уе=0.6 м/с; 3 - р5 =55.3 кг/м3, Ш5=17.33%, Ре=757 мм рт.ст., ф=29%, Т„=300К, а=10°, Уе=0.6 м/с; 4 - р5 =55.3 кг/м3 №¿=41.3%, Ре=754 мм рт.ст., ф=32%, ТН=302К, «=0°, Vе=0.6 м/с; 5 -результаты расчетов при р5 =55.3 кг/м3, Ш5=41.3%, Ре=754 мм рт.ст., ср=32%, ТН=302К, а=0°, Уе=0.6 м/с (излучения от Солнца нет), 6 - результаты расчетов при р5 =55.3 кг/м3, 1.3%, Ре=754 мм рт.ст., <р=32%, ТН=302К, а=0°, \'е=0.6 м/с (излучения от Солнца нет); 7- результаты расчетов при р* =55.3 кг/м3, \Л'5=41.3%, Ре=754 мм рт.ст., <р=32%, Тк=302К, а=20°, Уе=0.6 м/с (излучение от Солнца учитывается); 8 - результаты расчетов при р3 =55.3 кг/м3, Ш5=41.3%, Ре=754 мм рт.ст., <р=32%, Т„=302К, а=0", Уе=0.613 м/с (излучение от Солнца учитывается).

При теоретическом исследовании посредством решения сопряженной задачи моделировался процесс сушки ЛГМ, максимально приближенный к реальным условиям, а точнее - учитывалось солнечное излучение, его изменение при варьировании угла наклона земной поверхности. Кривая 5 соответствует процессу сушки горизонтальной поверхности при отсутствии солнечного излучения и при скорости ветра 0.2 м/с, кривая 6 соответствует процессу сушки горизонтальной поверхности при отсутствии солнечного излучения и при скорости ветра 0.6 м/с. Кривая 7 отражает процесс сушки ЛГМ при угле наклона 20° и при учете солнечного излучения, а кривая 8 отражает процесс сушки ЛГМ при угле наклона 0° и при учете солнечного излучения. Анализируя кривые 5-8, можно сделать вывод о том, что солнечное излучение оказывает существенное влияние на процесс сушки ЛГМ и угол наклона земной поверхности влияет на скорость сушки ЛГМ с излучением от Солнца, точнее существенное значение имеет угол падения солнечных лучей на поверхность слоя. Очевидно, что этот фактор является существенным в солнечную погоду. Как показали результаты теоретических исследований, сильное влияние на время сушки и форму кривых сушки оказывают плотность Солнечного излучения, начальное влагосодержание ЛГМ, температура воздуха, относительная влажность воздуха и атмосферное давление.

Сравнивая экспериментальные кривые с численными результатами представленными на рис. 4 можно заметить, что кривая 5, полученная при помощи численного моделирования, полностью попадает в доверительные интервалы для соответствующей экспериментальной кривой 1, а кривая 6 на начальной стадии сушки полностью попадает в доверительные интервалы соответствующей экспериментальной кривой 4. Исходя из этого, можно сделать вывод, что математическая модель в рамках принятых выше допущений адекватно описывает процесс сушки ЛГМ.

Дополнительно в третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению предельных условий перехода низового лесного пожара в верховой. Приведены критические значения плотности энергии воспламенения для сосны, ели и кедра, а также определены критические высоты произрастания нижних веток подроста при различном запасе ЛГМ в подстилке, при различных углах наклона земной поверхности и скорости ветра. Полученные экспериментальные данные имели хорошее согласование с результатами трехмерного математического моделирования (Перминов В .А., 2010).

В четвертой главе «Физическое и математическое моделирование степных и полевых пожаров» представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и натурных условиях и их сравнение с результатами численного моделирования с использованием двумерной математической модели, построенной на основе известных моделей (Бурасов Д.М., Гришин A.M., 2006).

В лабораторных условиях экспериментально были получены для некоторых типов полевых растений критическое влагосодержание (w*) и величина критической энергии зажигания (Е^). Полученные значения

приведены в таблице I. Следует отметить, что для Cirsium setosum (Willd.) Besser в таблице указано два значения минимальной энергии зажигания, т.к. это растение имеет толстый стебель и много тонких листочков. В первом случае Екр=26,4 кДж - это минимальная энергия зажигания при которой возникает горение листочков и других мелких проводников горения, но при этом горение стебля не наступает. Во втором случае Екр=237,6 кДж - это минимальная энергия при которой наступает горение мелких проводников горения и возникает неустойчивое горение стебля. В ходе эксперимента было выяснено, что горение стебля остается неустойчивым и при любых меньших значениях влагосодержания. Учитывая структуру этого растения на основе визуального наблюдения за распространением фронта горения в натурных условиях, можно сделать вывод о том, что для возникновения и распространения пожара наиболее важную роль играет воспламенение листочков и мелких проводников горения, а стебель является по классификации (Софронов М.А., Волокитина A.B., Софронова Т.М., 2008) элементом РГМ, поддерживающим горение. Поэтому для Cirsium setosum (Willd.) Besser критической энергией зажигания следует считать величину Е,ф=26,'4 кДж.

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований по определению

критического влагосодержания и критической энергии зажигания растений.

Тип растения w*, % Ekd, кДж z, %

Trifolium medium L. - Клевер средний 27,1 31,68 8,1

Phleum pratense L. - Тимофеевка луговая 33 34,2 8,5

Agrostis gigantea Roth (Agrostis alba L.) -Полевица гигантская 33 34,2 6,7

Cirsium setosum (Willd.) Besser - Бодяк щетинистый 23,1 26,4 12,1

Cirsium setosum (Willd.) Besser - Бодяк щетинистый 23,1 237,6 12,1

Также в четвертой главе приведены результаты многолетних натурных экспериментальных исследований по возникновению и распространению степных и полевых пожаров, их воздействию на деревянные ограждения и атмосферу. Получены значения характерных температур как в зоне пламенного горения, так и в ее окрестностях. Установлено, что для снижения вероятности воспламенения деревянных ограждений необходимо делать их продуваемого типа. На рис. 5 и 6 приведены соответствующие термограммы. Для определения темп'ературы поверхности деревянных щитов использовался тепловизор и следующий метод: в деревянный щит заделывалась термопара, показания которой являлись реперными для определения эффективного коэффициента излучения поверхности дерева в рабочем диапазоне длин волн тепловизора с учетом поглощения излучения продуктами пиролиза и горения РГМ. Для диапазона длин волн 2,5-2.7 мкм значения эффективного коэффициента излучения составили: £3ф=0,б8.

Рис. 5. Термограмма щита из штакетника

Рис. 6. Термограмма преграды из доски толщиной 25 мм

Из анализа рис. 5 следует, что температура поверхности штакетника достигает значений 826-870 К. На рис. 6 приведена термограмма щита из досок толщиной 25 мм непосредственно перед воспламенением забора. Видно, что температура поверхности (области 1-4 рис. 6) в зоне последующего воспламенения достигает 895-937 К, что превышает примерно на 60 градусов температуру поверхности штакетника (области 1-3 рис. 5) и является причиной воспламенения. Можно предположить, что в данном случае на рост температуры поверхности оказывает влияние сплошность щита и, как следствие, увеличение времени его нагрева и воспламенение фронтом пожара.

Во время проведения экспериментов в непосредственной близости от места их проведения находился пост мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу газов ИОА СО РАН (Аршинов М.Ю, Белан Б.Д, Давыдов Д.К. и др 2007).

В результате анализа данных было обнаружено повышение на 2-3 градуса температуры воздуха в окрестности экспериментальной площадки, снижение относительной влажности воздуха и рост концентрации парниковых газов и продуктов горения. Кроме того, было обнаружено значительное снижение концентрации озона, что дает возможность сделать предположение о том, что массовые природные пожары могут значительно снижать концентрацию озона в атмосфере, что может влиять на образование озоновых дыр.

Дополнительно были установлены экспериментальные зависимости геометрических характеристик факела пламени степного пожара от скорости ветра. В результате использования которых было получено удовлетворительное сограсование скорости распространения фронта горения при численном моделировании с экспериментальными данными (рис. 7).

t e

Рис. 7. Экспериментальные и теоретические зависимости скорости распространения фронта степного пожара при экспериментальных значениях скорости ветра, изменяющейся со временем (кривая 1). 2 — экспериментальная кривая изменения скорости распространения фронта степного пожара, 3 -расчетная скорость распространения степного пожара

Из анализа результатов, представленных на рис. 7, следует корреляция изменений расчетной скорости распространения степного пожара и входных значений скорости ветра. Значительное расхождение расчетной и экспериментальной скорости фронта на начальном отрезке времени обусловлено тем, что в начале экспериментальной полосы создавалась линейная зона зажигания высокой интенсивности, что приводило к неестественной завышенной скорости распространения фронта горения. Дальнейшие расхождения экспериментальной и расчетной скоростей распространения фронта горения обусловлено тем, что слой СГМ в эксперименте имел естественную неоднородность и кратковременные порывы ветра не фиксировались. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями скорости распространения фронта горения составляет в значительном временном диапазоне 10-20 %, а на некоторых участках расхождение достигало 50 %, что обусловлено упомянутыми выше факторами. Такие расхождения с экспериментальными данными являются вполне удовлетворительными, т.к. расчетная скорость распространения степного пожара в среднем несколько превышает экспериментальную, что позволяет получать опережающий прогноз местоположения фронта степного пожара. Совпадение характерных температур во фронте горения говорит об удовлетворительном согласовании результатов расчетов с экспериментальными данными, представленными на рис. 7.

В пятой главе «Физическое моделирование торфяных пожаров» представлены результаты экспериментальных исследований горения торфа. В качестве образцов торфа использовались образцы различного типа торфа с разных районов Томской области и образцы торфа из района г. Эдинбург (Великобритания) предоставленные А. Simeoni (WPI, USA).

Первая серия экспериментов посвящена исследованиям воспламенения торфа под действием лучистого потока энергии. Воспламенение производилось на установке радиационного нагрева «Уран-1», где в качестве источника лучистой энергии использовалась ксеноновая лампа высокого давления ДКСР-10000 (10 кВт), лучистый поток от которой фокусировался на поверхности исследуемого образца. Весь процесс воспламенения фиксировался при помощи тепловизора JADE J530SB при частоте съемки 100 кадров в секунду.

В зависимости от режима воспламенения торфа (тлеющем или пламенном) время воспламенения определяли по критерию «да-нет» (De Luca L. и др., 1976) или по появлению пламени. В настоящей работе в отличии от критерия «да-нет» (De Luca L. и др., 1976) за время воспламенения принималось минимальное время экспозиции потока излучения, при котором происходит развитие процесса горения хотя бы в одном случае. Иными словами, после окончания облучения образца, за образцом в течение 20 мин проводились наблюдения и если процесс горения торфа сохранялся, то считалось, что произошло воспламенение торфа. Соответственно, за критическое значение плотности энергии воспламенения по методу «да-нет» (Е) принималось минимальное значение плотности энергии во всей серии экспериментов. Такой подход усиливает показатель пожароопасности объекта. В случае тлеющего режима горения за время задержки принималось минимальное время экспозиции, приводящее к устойчивому горению торфа (Rosser W.A. и др., 1966; Kulkarni А.К. и др., 1980), а при пламенном режиме горения - промежуток времени от начала экспозиции до момента появления пламени. Момент начала пламенного режима горения торфа фиксировался при помощи тепловизора. Распространение фронта горения контролировалось визуально и при помощи тепловизора.

На рис. 8 можно наблюдать, как происходит процесс воспламенения торфа, где отчетливо видны все фазы: нагрева, газификации, пламенного горения, исчезновения пламенного горения при прекращении подачи энергии извне и тления торфа. Наблюдаемое на рис. 8 отклонение продуктов газификации и пламени вызвано незначительным движением воздуха вследствие работы системы вентиляции.

В таблице 2 представлены критические значения плотности энергии воспламенения торфа по появлению пламени и пламенного режима горения (Е*) и по методу «да-нет» (Е). За 20 мин. фронт горения успевал заглубиться на глубину до 2-10" -2,5-Ю"2 м. Кроме того, в табл. 2 приведены времена задержки воспламенения по появлению пламени (tf) и по методу «да-нет» (te). Следует отметить, что Е определялось по средней величине tf, а Е определялось по наименьшему значению tc. Видно, что на энергию воспламенения торфа оказывают влияние интенсивность излучения и влажность образцов. О существенном влиянии влажности торфа на минимальную энергию зажигания отмечено в работе (Гришин A.M. и др., 2006).

минш ГГИттттгЧ^' 1|~ГП М|||Шш1мЮШ11ТГй1Т|И|

«11 ивиидмиимии „ ^ -;;;;' " ' : ; -д.'.... ^. . ' 1 ' -.г, .;.. г . , ■ ',-1 - „ ' 1 Ю

|р| ШйФШШ ИВ9ННВВНВ

Рис. 8. Тепловизиошше снимки характерных этапов воспламенения образца торфа №1 при \¥=0%, ц=7,1 • 105 Вт/м2, ^=0,34 с, ^0,18.

Таблица 2 - Результаты экспериментальных исследований.

Тип образца V/, % ю-4, Вт/м2 Е'-Ю"4, Дж/м2 с ЕЮ4, Дж/м2

Образец № 1 0 21 - - 4,65+0,05 97,65

0 37 0,39+0,13 14,43 0,9+0,02 32,6

0 39 0,36+0,01 14,04 0,82+0,01 31,59

0 66.7 0,18+0,01 12,01 0,26+0,01 16,68

0 71 0,17±0,01 12,07 0,25+0,01 17,04

8.6 40 0,81±0,07 32,4 0,84+0,01 33,2

8.6 74.1 0,21+0,01 15,56 0,39+0,02 27,42

8.6 79.9 0,21+0,01 15,98 - -

29 79.9 0,62+0,11 49,54 1,35±0,65 55,93

29 152 0,2+0,04 30,4 - -

Образец № 2 0 37 0,36±0,02 13,32 1,27+0,02 46,25

0 73 0,18+0,0! 13,14 - -

Образец №3 0 71 0,24±0,02 17,04 0,63+0,07 39,76

0 152 0,19+0,02 13,49 0,40+0,05 53,2

Важной характеристикой процесса воспламенения и горения является температура поверхности. На рис. 9 представлены зависимости от времени температуры поверхности образца торфа № 1 при различных интенсивностях подвода энергии. Кривые 1 и 3 соответствуют экспериментам при которых наступало тление образца торфа, при этом в эксперименте, соответствующем

кривой 1 достигался пламенный режим горения при воздействии лучистой энергии. В эксперименте, соответствующем кривой 2, при воздействии лучистой энергии достигается пламенный режим горения, но, ввиду недостаточного времени экспозиции, тления не наступает. В экспериментах, соответствующих кривым 3 и 4, пламенный режим горения отсутствует. А в эксперименте, соответствующем кривой 4, не наступает тления образца ввиду недостаточной интенсивности подведенной энергии.

т, к

1200 т

1150110010501000-

DL 350300250200150 -10050-

6 <,с

Рис. 9. Зависимость температуры поверхности образца торфа № 1 от времени: I - при я=7.М05 Вт/м2, время экспозиции - 0,32 с (тление); 2 — при q=7.1•10s Вт/м2, время экспозиции -0,25 с (горения не наступает); 3 - при 4=2,МО3 Вт/м2, время экспозиции -4,65 с (тление); 4 - при q=l ,6-10Э Вт/м2, время экспозиции - 4,65 с (горения не наступает).

Рис. 10. Спектр излучения торфа (кривая 1) и закон Планка (кривая 2).

Следует отметить, что при использовании методов ИК-диагностики необходимо знать коэффициент излучения объекта. Для тлеющей поверхности торфа были получены значения е[2,5-2,7 мкм]=0,95±0,01. На рис. 10 приведен спектр излучения торфа, полученный при помощи спектрографа SOLAR ТИ MS200H в сравнении с кривой Планка. Сравнивая эти кривые видно, что спектр излучения торфа близок к спектру абсолютно черного тела (АЧТ) на участке длин волн до 3.5 мкм.

Отдельная серия экспериментальных исследований в пятой главе была посвящена определению с помощью методов ИК-диагностики глубины фронта горения торфа. В качестве образцов использовалось пять различных типов торфа, характерных для болот Томской области. При этом варьировались как размеры образцов, так и их плотность, ботанический состав, а зажигание образца производилось как сверху, так и с боковой стороны. На рис. 11 приведены термограмма и профиль температуры для одного из образцов торфа.

Рис. 11. Термограмма (а) и профиль температуры (Ь) в сечении 1 для образца торфа № 1 размерами 0,14x0,1x0,11 м с \у=6,4%, р=20,4 кг/м3 при е=0,96. Зажигание образца производилось с верхней стороны.

В результате экспериментов установлено следующее:

1. Глубина фронта горения торфа изменяется в пределах 10-28 мм.

2. Глубина фронта горения торфа зависит от типа торфа, степени его разложения и плотности.

3. Глубина фронта горения торфа слабо зависит от изменения влагосодержания, изменяющегося в диапазоне \у=(2,6-17,3) % и не зависит от размеров образца в диапазоне от 0,03x0,03x0,03 м до 0,35x0,15x0,15 м.

4. Местоположение передней кромки фронта горения торфа целесообразно определять по изотерме 680+25 К.

В шестой главе «ИК-методы измерения температуры при горении РГМ»

рассматриваются подходы и трудности для измерения температуры в пламени,

образующемся при горении растительных горючих материалов (РГМ) и регистрации высокотемпературных объектов, экранированным слоем пламени.

Известно, что любой очаг горения представляет собой переменную в пространстве и времени высокотемпературную оптическую среду со всеми её оптическими характеристиками. Исследование ее температурных характеристик при помощи контактных методов, например, с использованием термопар строго говоря не может считаться корректным, т.к. имеет три критических недостатка:

1. Термопара вносит возмущения в структуру течения в пламени вызывая искривление и отклонения факела пламени;

2. Термопара обладает достаточно большой инерционностью даже при малых диаметрах спая и измеряет не мгновенную температуру в данной точке факела пламени, а некую осредненную величину температуры термопары;

3. Невозможно получить хорошее пространственное разрешение при измерениях.

Наиболее перспективным подходом в данном случае является дистанционное бесконтактное измерение температуры ИК-методами. Следует отметить, что при проведении дистанционных температурных измерений в очагах горения РГМ по собственному излучению пламени в инфракрасном диапазоне длин волн (в дальнейшем ИК-методы) из-за отсутствия сведений о величинах коэффициентов излучения £, возникает проблема получения термодинамических значений температуры. Эту проблему можно решить путем корректировки значения коэффициентов излучения е инфракрасных изображений по данным измерений температур термопарами в пламени в реперных точках одновременно с тепловизионными кадрами. Далее, с помощью полученных значений поправочных коэффициентов излучения к корректируется поле температур инфракрасного изображения пламени для каждого кадра.

При измерениях температуры объекта методами ИК-диагностики важно учитывать спектр излучения этого объекта, который в зависимости от температуры для абсолютно черного тела (АЧТ) определяется кривой Планка.

Однако, следует отметить, что данное распределение по длинам волн соответствует излучению АЧТ. Спектр горения торфа близок к спектру АЧТ, а при исследовании пламени при горении РГМ в ИК-диапазоне необходимо исследовать спектр пламени или знать достоверно его компонентный состав. Например, на рис. 12 приведен спектр горения РГМ, собранных в районе г. Карасук Новосибирской области.

dl

к, nm

Рис. 12. Спектральная характеристика фильтра F0616 (кривая 1) и спектр пламени при горении исследуемых РГМ (кривая 2), полученный при помощи спектрографа SOLAR TU MS2001i.

Из рис. 12 видно, что в спектре присутствуют линии излучения в диапазонах 2,5-2,9 мкм и 4,2^,5 мкм. На этих длинах волн находятся мощные линии излучения паров воды и СО?, которые безусловно присутствуют в больших количествах в продуктах горения.

С целью определения коэффициента излучения пламени, образующегося при горении РГМ была проведена серия экспериментальных исследований. Для измерений использовались тепловизор Inframetrics-760 с частотой 25 кадров в секунду со спектральным рабочим диапазоном 3^-5 мкм и тепловизор JADE J530SB оснащённый узкополосным оптическим фильтром F0616 в полосе 2.5^2.7 мкм с возможностью регистрации изображений в реальном времени до 170 кадров в секунду. Большое быстродействие тепловизора позволило провести хорошую дискретизацию данных по времени и пространству по месту размещения термопар. Выбор спектрального интервала обусловлен имеющимися в наличии фильтрами и тем, что в полосу пропускания фильтра попадают достаточно мощные линии излучения пламени (см. рис. 12). Контрольные температурные измерения проводились при помощи гребенок термопар типа ХА (хромеяь-алюмель), расположенных в вертикальном направлении над поверхностью образца горючих материалов.

На рис. 13а приведена термограмма факела пламени, полученная при помощи тепловизоров JADE-J530SB (при 8 = 0,61), а на рис. 13Ь - термограмма полученная при помощи тепловизора Inframetrics-760 (при є = 0,72).

Сравнивая рис. 13а и 13Ь видно, что при использовании диапазона длин волн 2,5-2,7 мкм отчетливо наблюдаются отдельные хорошо излучающие области с высокими температурами. Это области разогретых паров воды и углекислого газа, которые образуются при горении и в этом спектральном диапазоне обладают хорошей излучающей способностью. Оба компонента

продуктов горения имеют сильную полосу излучения шириной 0,1 мкм с центрами 2,66; 2,74 мкм и 2,7 мкм соответственно (Зуев В.Е., 1981).

Рис. 13. а - Термограмма факела пламени, полученная на тепловизоре JADE J530SB с распределением температуры в факеле пламени при коэффициенте излучения е = 0,61, влагосодержании w = 3,6%; в вертикальном (1) и трех горизонтальных сечениях: 2 - h = 0,1 м, 3 - h = 0,2 м, 4 - h = 0,3 м; в спектральном диапазоне 2,5 ^ 2,7 мкм, время экспозиции кадра 0,006 сек. b -Термограмма факела пламени, полученная на тепловизоре Inframetrics-760 при коэффициенте излучения е = 0,72, влагосодержании w = 3,6%, в спектральном диапазоне 3^-5 мкм, время экспозиции кадра 0,04 сек.

Результаты сравнения скорректированных значений коэффициентов излучения пламени в диапазонах длин волн 2,5-2,7 мкм и 3-5 мкм (е [2,5 мкм; 2,7 мкм], £ [3 мкм; 5 мкм]) после обработки данных распределения температуры в реперных точках тепловизионных измерений с показаниями термопар приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Зависимость коэффициента излучения е факела пламени на разной высоте от влагосодержания \у РГМ.__

влагосодержание w, % коэффициент излучения е [2,5 + 2.7 мкм] (JADE J530SB) коэффициент излучения E [3 + 5 мкм] (Inframetrics-760)

3,6 0,62±0,01 0,72+0,03

5,9 0,77±0,01 0,73+0,03

7,7 0,77±0,01 0,57±0,03

21,6 0,81±0,05 0,84+0,05

Благодаря тому, что тепловизор JADE J530SB позволяет производить измерения температуры с частотой дискретизации по времени до 170 Гц, было замечено, что пространственная структура температуры в факеле пламени меняется достаточно быстро. В связи с чем, в эксперименте была проведена соответствующая модернизация. В схему измерений был введён канал скоростной регистрации температур с частотой дискретизации 500 Гц (16 бит),

датчиком измерений служила термопара типа ВР (вольфрам-рений) с диаметром спая 50 мкм (в 10 раз меньше применявшихся ранее). Затем был проведён сравнительный анализ изменения температур во времени и сравнение полученных тепловизионных результатов по характерным частотам с показаниями термопары.

В качестве образцов использовались описанные выше материалы РГМ. Масса образцов варьировалась в диапазоне от 50 до 200 г., влагосодержание образцов РГМ также варьировалось в пределах от 3,6 до 21,6 %. Обработка последовательностей термограмм (одна реализация 42500 кадров) и профилей температур проводились методом дискретного преобразования Фурье. Тепловизионные профили температур выбирались в факеле пламени на 20 уровнях, расположенных на горизонтальной прямой и, аналогично, на вертикальной прямой.

Используя дискретное преобразование Фурье были получены частотные спектры температуры в каждой точке, которые затем осреднялись. На рис. 14а приведен осредненный частотный спектр изменения температуры.

Из анализа рис. 14а следует, что в диапазоне около 0,01 Гц присутствуют колебания температуры со значительной амплитудой, которые для наглядности колебаний температуры с другими частотами на графиках не приводятся. В диапазоне 2-7 Гц присутствуют характерные частотные максимумы колебаний температуры с амплитудой до 8 К. Это позволяет сделать вывод о том, что эти частоты являются характерными для данного физического процесса горения и имеют определенную природу. Для исключения влияния эффекта масштаба варьировались размер очага горения и масса образцов, варьировалось и влагосодержание образцов. Изменение этих параметров не повлияло на частотный спектр температуры.

.. и

а, к

11 -

10 12 14 16 18 20 22 24

I, Гц

10 12 14 16 18 20 22 24 ».Гц

а Ь

Рис. 14. а - Частотный спектр температуры в факеле пламени по данным тепловизора МПЕ-15305В. Ь - Частотный спектр температуры термопары в факеле пламени по данным с термопары типа ВР (вольфрам-рений) 50 мкм.

На рис. 14Ь приведен частотный спектр изменения температуры термопары, длительность реализации данных 250 секунд. Из рис. 15Ь видно, что в диапазоне 2-7 Гц также как и на рис. 15а присутствуют характерные частотные

максимумы колебаний температуры с амплитудой в несколько градусов. Вероятно то, что амплитуда изменения температуры термопары ниже, чем в показаниях тепловизора связано с тем, что термопара вносит изменение в структуру факела пламени и имеет инерционность. К тому же при низкой скорости горючих газов пламени необходимо учитывать потери количества тепла спаем на излучение и вследствие имеющейся теплопроводности вдоль проводов термопары (Льюис Б., Пиз Р.Н., Тэйлор Х.С., 1957).

Необходимо отметить, что совпадение частотных характеристик как при измерении температуры тепловизором, так и термопарой говорит об обусловленности этих колебаний физическими процессами горения. В работе (Голованов А.Н., 1999) приводится частотный анализ для температур измеренных термопарами при горении ЛГМ, где выделяются частоты 6-7 Гц, которые, по мнению автора, связаны с собственными колебаниями элементов

Следует отметить, что те же самые частотные максимумы были зафиксированы и при проведении натурных экспериментов при скоростях ветра до 5 м/с, при скорости ветра 5-8 м/с эти частотные максимумы отсутствуют. Можно сделать вывод, что при скорости ветра более 5 м/с происходит изменение структуры пламени вызванное сносом и охлаждением областей повышенной температуры под действием ветра. Отдельно уделено внимание типу течения в пламени. Учитывая наличие пульсаций температуры были проведены оценки числа Re. В зависимости от условий проведения экспериментов (лабораторные или натурные исследования), число Рейнольдса изменялось в диапазоне 14505600 из чего можно сделать вывод, что течение в пламени может быть как переходным, так и турбулентным.

Отдельной задачей, которая была рассмотрена в шестой главе, является задача регистрации с использованием методов ИК-диагностики высокотемпературных объектов, экранированных слоем пламени.

На рис. 15 приведена схема экспериментальной установки, где источники излучения и регистрирующая аппаратура находятся на одной оптической оси. Аналогичные эксперименты производились в работе (Е. Pastor и др., 2002). Основным отличием является то, что в работе (Е. Pastor и др., 2002) исследования производились на тепловизоре с неохлаждаемой матрицей и был выбран спектральный диапазон 7,5-13 мкм.

Рис. 15. Схема установки. 1 - модель АЧТ-45/100/1100, 2 - слой СГМ с длиной / и высотой h, 3 - пламя фронта горения СГМ, 4 - тепловизор JADE J530SB.

ЛГМ.

.3

\

В качестве модели абсолютно черного тела (АЧТ) использовался излучатель АЧТ-45/100/1100 Омского завода ОАО НПП «Эталон» с диапазоном изменения температуры от 573 К до 1373 К. Слой степных горючих материалов (СГМ) состоял из естественной смеси растений, произрастающих в районе г. Карасук Новосибирской области. Длина слоя СГМ / варьировались от 0,2 м до 0,8 м, а высота слоя менялась от 0,05 м до 0,08 м. Влагосодержание СГМ составляло 7,9 %. Интенсивность ИК-излучения пламени и модели АЧТ и распределение температуры регистрировалось при помощи тепловизора JADE J530SB с узкополосным дисперсионным оптическим фильтром F0616 со спектральным интервалом 2,5-2,7 мкм, позволяющим измерять температуру в диапазоне 583-1773 К с погрешностью измерений не превышающей 1% и частотой регистрации 50 кадров/с. При измерениях использовались калибровки завода-изготовителя для выбранного типа объектива и фильтра. Съемка производилась с объективом, имеющим фокусное расстояние F=50 мм, а матрица тепловизора имела разрешение 320x240 пикселей. Расстояние от тепловизора до АЧТ составляло 3 м, а расстояние от тепловизора до центра пламени составляло 2 м. Дополнительно температура в пламени на оси АЧТ контролировалось при помощи термопар типа BP с диаметром спая 50 мкм.

На рис. 16 приведен спектр АЧТ и кривая Планка. Очевидно, что в целом характер кривых совпадает, но в интервалах 2,6-3 мкм и 4,2-4,3 мкм наблюдаются «провалы», вызванные влиянием С02 и Н20, присутствующими в атмосфере.

DL

А-

У V

ч Закон Ппзнка

Sa

Л

■ АЧТ

"'"Sw

1500 2000 гя» ет» 3500 4000 45® £000 5500

Ь, ПП1

Рис. 16. Спектр АЧТ-45/100/1100, полученный при помощи спектрографа SOLAR Til MS2001 i и кривая Планка.

В результате проведения эксперимента было обнаружено, что регистрируемая тепловизором температура АЧТ при появлении перед ним пламени возрастает не более, чем на 10% от истинной температуры АЧТ - Твв (рис. 17). При этом регистрируемая температура АЧТ имеет многократные изменения как и изменения температуры в пламени, измеренные вне оси видимости АЧТ (рис. 18).

г к

- —t I I .'.. i ■ ,-, '■ , ■ I , ,

г i £ i » [i 14 ú 3 в ^ X II 9 tí

Рис. 17. Изменение регистрируемой термопарой температуры пламени (кривая 1) и регистрируемой тепловизором температуры АЧТ и пламени (кривая 2).

Рис. 18. Изменение регистрируемой тепловизором температуры АЧТ (кривая 1) и температуры пламени (кривая 2) с коэффициентом излучения 8=0,77.

При этом термопары, размещенные в пламени на оси излучения АЧТ не регистрировали каких-либо изменений между временем, когда АЧТ было закрыто экраном и временем, когда экран отсутствовал (см рис. 17 кривая 1).

В результате экспериментов было обнаружено, что при температуре АЧТ меньше 1100 К зарегистрировать излучение АЧТ не удаётся, т.к. в этом случае максимальные температуры в пламени превышают температуру АЧТ, что приводит к экранированию излучения АЧТ слоем пламени. При температурах АЧТ от 1100 К и выше, что превышает максимальные значения температуры в пламени, с учётом его коэффициента излучения, обнаружена следующая зависимость:

4 = VZ^ + Z/ (27)

Здесь L¡ - суммарная энергетическая яркость АЧТ и пламени, Ьвн -энергетическая яркость АЧТ, Lf — энергетическая яркость пламени, x¡ -коэффициент ослабления излучения АЧТ слоем пламени.

В таблице 4 приведены средние значения х/, доверительные интервалы

т/±Дт/ и среднеквадратическое отклонение о при разных значениях

температуры АЧТ и массы СГМ.

Следует отметить, что в работе (Е. Pastor и др., 2002) приводится формула аналогичная (27), но в работе (Е. Pastor и др., 2002) авторы получили эту зависимость для интенсивности излучения (Г), причем в экспериментах (Е. Pastor и др., 2002) в спектральный интервал тепловизора попадала лишь незначительная доля излучения от пламени, что позволяло регистрировать температуры АЧТ значительно ниже температуры пламени (253 - 1773 К).

Таблица 4 - Значения f при различных значениях Твв и массе СГМ.

Твв> К т, г /, м т/ ?/±Дт/ а

1100 50 0,2 0.619 0.58-0.658 0.0527

1200 50 0,25 0.687 0.665-0.709 0.0383

1200 100 0,35 0.638 0.619-0.656 0.0316

1200 150 0,35 0.605 0.585-0.625 0.0305

1200 200 0,48 0.615 0.593-0.637 0.0322

В результате проведенных экспериментов можно сделать вывод, что для регистрации высокотемпературных реперных объектов с коэффициентом излучения £~1 в ИК диапазоне 2.5-2.7 мкм через слой пламени и расположенные позади пламени от природного пожара их температура должна быть выше максимальных температур в пламени, а их энергетическая яркость определяется по формуле (27).

На рис. 19 приведен спектр изменения «видимой сквозь пламя» температуры АЧТ.

f, Hz

Рис. 19. Спектр изменения регистрируемой тепловизором температуры АЧТ, расположенного позади факела пламени.

Сравнивая рис. 19 и рис. 15 можно сделать вывод, что в обоих случаях имеются характерные частотные максимумы в диапазоне 2-7 Гц, которые очевидно связаны с внутренними процессами, протекающими в пламени.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Методами численного и экспериментального моделирования исследованы процессы сушки слоя лесного горючего материала с учетом сезонных и суточных изменений параметров окружающей среды, вариаций профиля земной поверхности, а также с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ. Получены временные зависимости изменения объемной доли воды в слое ЛГМ, предложена оптимальная как по точности, так и по времени счета математическая модель его сушки.

2. На основе экспериментальных данных и математического моделирования определены условия, при которых возможно распространение фронта низового лесного пожара от первоначального очага возгорания слоя ЛГМ. Установлено, что при влагосодержании хвои сосны V/ г 24%, мха Шребера

а 35%, лишайника Кладония й 47% распространение огня прекращается. Переход фронта горения от слоя ЛГМ с запасом до М,=\,15 кг/м3 на кроны деревьев возможен, если, расстояние от поверхности слоя ЛГМ до нижнего яруса крон деревьев менее 0,6 м.

3. Экспериментально найдены значения энергии воспламенения и критического влагосодержания для ряда полевых растений. Определены профили температуры и характерные ее значения внутри фронта степного и полевого пожара. Установлено, что максимум температуры во фронте степного пожара в зависимости от структуры степного горючего материала и его распределения по глубине находится на высоте 0,2-1,2 м от внешней поверхности. Температура на передней и задней кромках горения колеблется в диапазоне 730-950 К, максимальная Т «= 1100 К.

4. Экспериментально определена зависимость геометрических характеристик факела пламени фронта степного пожара от скорости ветра. Получены эмпирические зависимости этих характеристик для скоростей ветра до 5 м/с. Определены условия снижения риска воспламенения деревянных ограждений при прохождении через них фонта пожара. Исследовано воздействие степного пожара на приземный слой атмосферы. Установлено значительное увеличение концентраций окисляющих газов в нем и кратное снижение концентраций озона.

5. Установлены критические значения времени задержки и плотности энергии для воспламенения различных видов торфа, характерных для конкретных болот Западной Сибири и Великобритании. Найдены коэффициент излучения для тлеющей поверхности этих видов торфа в спектральном интервале 2,5-2,7 мкм и глубина фронта их горения,

6. Определены коэффициенты излучения пламени при горении растительных горючих материалов с различным влагосодержанием в спектральном диапазоне 2,5-2.7 мкм. Показано, что в этом диапазоне длин волн рост влагосодержания приводит к возрастанию коэффициента излучения пламени.

7. Установлены характерные частотные максимумы в диапазоне 2-7 Гц, присутствующие в спектре изменения температуры пламени при горении растительных горючих материалов, которые исчезают при скорости ветра больше 5 м/с.

8. Наряду с использованием традиционных методов исследования, применяемых в механике жидкости, газа и плазмы в работе приведены результаты, полученные при помощи современных методов ИК-диагностики. С использованием этих методов исследовано влияние пламени при горении РГМ на процесс регистрации высокотемпературных объектов в среднем ИК-диапазоне. Установлена зависимость (27)

регистрируемой энергетической яркости высокотемпературного объекта от его истинной энергетической яркости и энергетической яркости пламени.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий:

1. Гришин A.M., Голованов А.Н., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. Постановка и решение задачи о сушке слоя лесных горючих материалов // Физика горения и взрыва. 2001. Т.37. №1. С.65-76.

2. Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л. Экспериментальное исследование воспламенения торфа под воздействием потока лучистой энергии // Физика горения и взрыва, 2010. № 6. С. 86-92.

3. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Влияние коэффициента излучения пламени на измерение температур ИК - методами при горении лесных и степных горючих материалов при различном влагосодержании. Частотный анализ изменения температуры // Оптика атмосферы и океана, 2011, № 11. С. 1002-1006.

4. Гришин A.M., Фильков А.И., Лобода Е.Л., Кузнецов В.Т., Рейно В.В., Руди Ю.А. Физическое моделирование степных пожаров в натурных условиях // Пожарная безопасность, 2010, № 2, С. 100-105.

5. Гришин A.M., Фильков А.И., Лобода Е.Л., Рейно В.В., Руди Ю.А., Кузнецов

B.Т., Караваев В.В. Экспериментальные исследования возникновения и распространения степного пожара в натурных условиях // Вестник ТГУ. Математика и механика. 2011. № 2(14). С. 91-102.

6. Лобода Е.Л., Якимов A.C. Моделирование процесса зажигания торфа // Вестник ТГУ. Математика и механика, 2012, № 1. С. 91 - 102.

7. Гришин A.M., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. Математическое моделирование сушки слоя лесных горючих материалов // Вычислительные технологии, 2001. Том 6, 4.2. С. 140-144.

8. Гришин A.M., Лобода Е.Л. Экспериментальные исследования критического влагосодержания и критической энергии зажигания для отдельных видов полевой растительности // Известия высших учебных заведений. Физика. 2009. т. 52, №2/2. С. 96-100.

9. Гришин A.M., Зима В.П., Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л., Фильков А.И. Комплекс экспериментальных установок для исследования природных пожаров // Известия высших учебных заведений. Физика. 2009. т. 52, №2/2.

C. 84-90.

Ю.Гришин A.M., Лобода Е.Л., Ерохонова A.A., Таныгина М.Н. Экспериментальное исследование критических условий перехода низового лесного пожара в верховой // Пожарная безопасность, 2010. № 1. С. 120125.

11. Лобода Е.Л. Экспериментальное исследование глубины фронта горения торфа ИК-методами // Оптика атмосферы и океана, 2012, № 5. С. 451-455.

• 12. Лобода Е.Л. Экспериментальное исследование воспламенения древесины в результате теплового воздействия фронта горения слоя торфа // Пожарная безопасность, 2012. № 3. С. 81-86.

Статьи в других научных изданиях:

13. Гришин A.M., Голованов А.Н., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. О сушке слоя лесных горючих материалов // Инженерно-физический журнал, 2001 т.74, №4. Национальная академия наук Белоруссии АНК ИТМО им. A.B. Лыкова. С. 58-64.

14. Loboda E.L., Reyno V.V. Experimental investigation into dynamics of flame temperature characteristics during burning of combustible plant materials by IR methods // Special book: «Modelling Fire Behaviour and Risk» / Edited by D. Spano, V. Bacciu, M. Salis, С. Sirca. Nuova StampaColor, Italy, 2012. ISBN 978-88-904409-7-7. P. 15-20.

15. Лобода Е.Л., Рейно B.B. Исследования в динамике оптических характеристик инфракрасного излучения факела пламени в зависимости от вида растительных горючих материалов и влагосодержания // XVII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»: Сборник трудов [Электронный ресурс] - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2011. - 1 CD-ROM. С-229-232.

16. Гришин A.M., Фильков А.И., Лобода Е.Л., Рейно В.В., Руди Ю.А., Кузнецов

B.Т., Караваев В.В. Экспериментальные исследования степных пожаров в натурных условиях // Инновационная энергетика 2010: Материалы второй научно-практической конференции с международным участием. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. С. 22-24.

17. Гришин A.M., Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л., Фильков А.И., Рейно В.В. Физическое моделирование полевых и степных пожаров в натурных условиях // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XVI Международного симпозиума. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2009. С. 249-252.

18. Гришин A.M., Голованов А.Н., Долгов A.A., Лобода Е.Л. и др. Экспериментальное исследование лесных пожаров, горения штабелей древесины и инфразвуковых колебаний давления // Сборник избранных докладов «Математическое и физическое моделирование сопряженных задач механики реагирующих сред и экологии», Томск: Изд-во ТГУ, 2000.

C. 102-125.

19. Гришин A.M., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. Математическое моделирование сушки слоя лесных горючих материалов // Proceeding of International Conference RDAA MM-2001, 2001, v. 6, pt. 2. Special Issue P. 140-144.

20. Гришин A.M., Голованов A.H., Долгов A.A., Лобода Е.Л., Барановский Н.В., Русаков C.B. Экспериментальное и теоретическое исследование сушки лесных горючих материалов // Известия Томск, политехнического университета. Тематический выпуск. Труды И-го семинара Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Том 305, вып 2, 2002. С7 31-43.

21. Лобода Е.Л. Экспериментальное исследование сушки слоя лесных горючих материалов в аэродинамической трубе // Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: Материалы 4-й международной конференции. Томск: Изд-во Томского университета, 2001. С. 117-120.

22. Loboda E.L., Reyno V.V. Influence of the flame radiation coefficient on the measument of temperatures by IR methods during ignition of forest and steppe fuels with various humidity content // Abstracts of the VI International conference on forest fire research (15-18 November 2010, Coimbra, Portugal). ADAI/CEIF, University of Coimbra. Paper 131. Pp. 1-8.

23. Лобода Е.Л. Математическое и физическое моделирование зажигания торфа интенсивным тепловым излучением // Сборник материалов Международной школы-конференции молодых ученых (12-16 октября 2009 г., г. Томск).-Томск: Томский государственный университет, 2009. С. 228-232.

24. Лобода Е.Л. Зажигание торфа при помощи интенсивного теплового излучения // Труды Томского государственного университета. Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2010. - Т. 273. Серия общенаучная: Молодежная научная конференции Томского государственного университета 2009 г., вып. 2: Проблемы естествознания. С. 262-265.

25. Лобода Е.Л. Математическое моделирование степного пожара в двумерной постановке // Инновационная энергетика 2010: Материалы второй научно-практической конференции с международным участием. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. С. 19-21.

26. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Частотный анализ изменения температуры в пламени при горении степных горючих материалов // Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления. Всероссийская научная конференция, посвященная 75 - летию со дня рождения акад. В.П. Мясникова: сб. докл. [Электронный ресурс]. - Владивосток: ИАПУ ДВО РАН, 2011.С. 362-366.

27. Лобода Е.Л. Экспериментальное исследование глубины фронта горения торфа ИК-методами // Фундаментальные и прикладные вопросы механики и процессов управления. Всероссийская научная конференция, посвященная 75 - летию со дня рождения акад. В.П. Мясникова: сб. докл. [Электронный ресурс]. - Владивосток: ИАПУ ДВО РАН, 2011. С. 358 - 361.

28. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Исследование в динамике оптических характеристик инфракрасного излучения факела пламени в зависимости от вида растительных горючих материалов и влагосодержания // XVII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы": Сборник трудов [Электронный ресурс]. - Томск: Изд - во ИОА СО РАН, 2011. - 1 электр. опт. диск CD - ROM. С. С229 - С232.

29. Гришин A.M., Лобода Е.Л., Фильков А.И., Рейно В.В., Козлов A.B., Кузнецов В.Т., Андреюк С.М., Иванов А.И., Столярчук Н.Д., Руди Ю.А. Исследование горения полевой растительности в натурных условиях и оценка компонентного состава продуктов пиролиза и горения // XVII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика

атмосферы": Сборник трудов [Электронный ресурс]. - Томск: Изд - во ИОА СО РАН, 2011. - 1 электр. опт. диск CD - ROM. С. С292 - С295.

30. Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л., Якимов A.C. Математическое и физическое моделирование возникновения торфяного пожара под действием лучистого потока энергии // XVII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы": Сборник трудов [Электронный ресурс]. -Томск: Изд - во ИОА СО РАН, 2011. - 1 электр. опт. диск CD - ROM. С. С202 - С204.

31. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Влияние пламен при горении растительных горючих материалов на регистрацию высокотемпературных объектов в ИК-диапазоне // XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену, 10-13 сентября 2012 г. / Институт тепло- и массообмена им. Лыкова Минск, 2012.-1 электр. опт. диск CD - ROM. ISBN 978-985-645680-3. 5 с.

32. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Экспериментальное исследование влияния слоя пламени на распространение инфракрасных волн от высокотемпературного источника АЧТ при горении растительных горючих материалов // XVIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2-6 июля 2012 г.): материалы докладов в электронном виде, секция С. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2012. - С. 298301.

33. Гришин A.M., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. Зависимость скорости сушки лесных горючих материалов (ЛГМ) от погодных условий, типа почвы и типа ЛГМ. Прогноз пожарной опасности // Материалы международной конференции «Пожары в лесу и на объектах лесохимического комплекса: возникновение, тушение, экологические последствия», 1999. С. 55-56.

34. Гришин A.M., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. Зависимость времени сушки от типа горючих материалов и погодных условий // Материалы международной конференции «Сопряженные задачи механики и экологии». - Томск: Изд-во Томского университета, 1998. - С. 82-83.

35. Гришин A.M., Катаева Л.Ю., Лобода Е.Л. Математическое моделирование сушки слоя лесных горючих материалов // Третий сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике, Ч. III. - Новосибирск: Изд-во Института математики СО РАН, 1998. С. 9-10.

36. Гришин A.M., Лобода Е.Л. Исследование зависимости сушки слоя лесных горючих материалов (ЛГМ) от угла наклона земной поверхности // Сопряженные задачи механики и экологии: Материалы международной конференции. Томск: Изд-во Томского унивеситета, 2000. С. 90-91.

37. Голованов А.Н., Лобода E.JI. Экспериментальное исследование сушки лесных горючих материалов (ЛГМ) в ламинарном потоке // Сопряженные задачи механики и экологии: Материалы международной конференции. Томск: Изд-во Томского унивеситета, 2000. С. 55-56.

38. Голованов А.Н., Лобода Е.Л. Определение предельных условий зажигания лесных горючих материалов // Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: Материалы 4-й

международной конференции. Томск: Изд-во Томского университета, 2001. С. 33-35.

39. Гришин A.M., Зима В.П., Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л., Фильков А.И. Испытательный комплекс для моделирования лесных, степных и торфяных пожаров // Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф. Материалы 7-й международной конференции. - Томск: Томский гос. университет, 2008. С. 37-38.

40. Гришин A.M., Зима В.П., Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л., Фильков А.И. Физическое моделирование торфяных пожаров // Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф. Материалы 7-й международной конференции. - Томск: Томский гос. университет, 2008. С. 38-39.

41. Гришин A.M., Лобода Е.Л., Ерохонова A.A. Экспериментальное исследование влияния угла наклона земной поверхности на возникновение верхового лесного пожара в горной местности // Материалы 8-й всероссийской конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2009. С. 45-46.

42. Гришин A.M., Лобода Е.Л., Таныгина М.Н. Экспериментальное исследование перехода низового пожара в верховой лесной пожар // Материалы 8-й всероссийской конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2009. С. 51-52.

43. Лобода Е.Л., Кузнецов В.Т. Влияние интенсивного теплового излучения на режимы воспламенения торфа // Материалы 8-й всероссийской конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2009. С. 81-82.

44. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Измерение и оценки значений коэффициентов излучения и прозрачности пламен ИК-методами // Материалы 8-й всероссийской конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2009. С. 101-103.

45. Лобода Е.Л. Математическое моделирование возникновения степного пожара от линейного источника зажигания // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов VI Всероссийской конференции молодых ученых. - Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. С. 173-174.

46. Лобода Е.Л. Математическое и физическое моделирование воспламенения торфа интенсивным потоком лучистой энергии // Забабахинские чтения: Сборник материалов X Международной конференции 15-19 марта 2010. -Снежинск: Изд-во РФЯЦ-МНИИТФ, 2010. С. 232-233.

47. Гришин A.M., Фильков А.И., Лобода Е.Л., Рейно В.В., Руди Ю.А., Кузнецов В.Т., Караваев В.В. Экспериментальное исследование возникновения и распространения степного пожара в натурных условиях // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: Материалы Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. С. 51-52.

48. Лобода Е.Л. Исследование зависимости геометрических характеристик пламени фронта степного пожара от скорости ветра // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: Материалы Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. С. 79.

49. Лобода Е.Л. Математическое моделирование степного пожара в двумерной постановке // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: Материалы Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. С. 80

50. Кузнецов В.Т., Лобода Е.Л. Зажигание торфа под воздействием интенсивного излучения // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: Материалы Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. С. 81.

51. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Исследование коэффициента излучения пламени на измерение температур ИК-методами при горении лесных и степных горючих материалов при различном влагосодержании // Инновационная энергетика 2010: Материалы второй научно-практической конференции с международным участием. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. С. 16-18.

52. Loboda E.L., Reyno V.V. Influence of the flame radiation coefficient onthe measument of temperatures by IR methods during ignition of forest and steppe fuels with various humidity content // Abstracts of the VHntemational conference on forest fire research (15-18 November 2010, Coimbra, Portugal). ADAI/CEIF, University of Coimbra. Pp. 194.

53. Лобода ЕЛ., Рейно B.B. Экспериментальное исследование характеристик пламени при горении растительных горючих материалов // С. - Петербург Международная конференция "Седьмые окуневские чтения", 20 - 24 июня 2011 г., Санкт - Петербург: Материалы докладов/Балт. гос. техн. ун - т.

-СПб., 2011. С. 90-92.

54. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Экспериментальное исследование динамики температурных характеристик факела пламени при горении растительных горючих материалов ИК - методами // С. - Петербург Международная конференция "Седьмые окуневские чтения", 20 - 24 июня 2011 г., Санкт -Петербург: Материалы докладов/Балт. гос. техн. ун - т. - СПб., 2011. С. 92 - 93.

55. Лобода Е.Л. Математическое моделирование распространения фронта степного пожара и сравнение с экспериментальными данными // С. -Петербург Международная конференция "Седьмые окуневские чтения", 20 - 24 июня 2011 г., Санкт - Петербург: Материалы докладов/Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2011. С. 94 - 95.

56. Лобода ЕЛ., Рейно В.В. Влияние пламен при горении растительных горючих материалов на регистрацию высокотемпературных объектов в ИК-диапазоне // XIV Минский международный форум по тепло- и

массообмену, 10-13 сентября 2012 г. / Институт тепло- и массообмена им. Лыкова. Минск, 2012. С. 498-501. 57. Лобода Е.Л., Якимов A.C. Моделирование процесса зажигания торфа // XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену, 10-13 сентября 2012 г. / Институт тепло- и массообмена им. Лыкова. Минск, 2012. С. 501505.

Подписано в печать 16.11.2012 г. Формат А4/2. Ризография Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз.. Заказ № 20/11-12 Отпечатано в ООО «Позитив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Ленина 34а

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Лобода Егор Леонидович Физическое и математическое моделирование природных пожаров и применение методов инфракрасной диагностики для их исследования

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических

наук, профессор А.М. Гришин

На правах рукописи

Томск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава I. Обзор работ, посвященных пожарной опасности, возникновению

природных пожаров, их распространению и особенностям применения методов ИК-диагностики......................................................................................21

1.1. Прогнозирование возникновения лесного пожара и известные методики прогноза пожарной опасности...................................................21

1.1.1. Канадская система прогноза пожарной опасности...........................21

1.1.2. Национальная система расчета пожарной опасности США............27

1.1.3. Критерий пожарной опасности В.Г. Нестерова................................29

1.1.4. Методика ЛенНИИЛХ.........................................................................31

1.1.5. Методики, разработанные в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (г. Красноярск).......................................................................................34

1.1.6. Методики Г.А. Доррера, С.П. Якимова..............................................38

1.1.7. Сведения о геоинформационных системах (ГИС) и детерминированно-вероятностных методиках прогноза пожарной опасности.........................................................................................................41

1.2. Работы посвященные возникновению и распространению лесных пожаров..............................................................................................................43

1.2.1. Краткий обзор работ по проблеме возникновения и распространения лесных пожаров и распространению загрязняющих примесей в атмосфере....................................................................................43

1.2.2. Распространение лесных пожаров......................................................46

1.2.3. Источники зажигания...........................................................................48

1.2.4. Исследование скорости распространения пожаров..........................50

1.2.5. Некоторые экспериментальные результаты по влиянию угла наклона на изменение характеристик факела пламени..............................52

1.3. О возникновении верховых лесных пожаров........................................53

1.4. О степных пожарах..................................................................................54

1.5. О торфяных пожарах...............................................................................56

1.6. ИК-методы измерения температуры...................................................57

1.7 Выводы..........................................................................................................63

Глава II. Математическое моделирование сушки слоя ЛГМ в сопряженной постановке и физическое моделирование условий распространения низовых лесных пожаров.....................................................................................................65

2.1. Экспериментальные исследования сушки ЛГМ..................................65

2.1.1. Эксперименты о влиянии угла наклона земной поверхности на сушку ЛГМ......................................................................................................65

2.2. Общая физическая модель задачи о сушке слоя ЛГМ.........................70

2.3. Постановка задачи о сушке слоя ЛГМ.................................................72

2.4. Система уравнений пограничного слоя.................................................74

2.5. Система уравнений тепло- и массопереноса для слоя ЛГМ.............77

2.6. База данных для математической модели и варианты сценариев сушки слоя ЛГМ................................................................................................79

2.7. Граничные и начальные условия для основной системы уравнений?»!

2.8. Осреднение исходной системы уравнений (2.5.2)-(2.5.8) по толщине слоя ЛГМ и упрощенная постановка задачи о сушке слоя ЛГМ.............83

2.9. Приведение основной системы уравнений к каноническому виду и постановка сопряженной задачи..................................................................86

2.10. Использование переменных Дородницына-Лиза и приведение системы уравнений пограничного слоя к безразмерному виду.................89

2.11. Сравнение с экспериментальными данными.....................................91

2.12. Результаты расчетов для суточных изменений метеоусловий и их анализ..................................................................................................................93

2.13. Результаты расчетов для сезонных изменений метеоусловий и их анализ..................................................................................................................95

2.14. Численные методы решения задачи о сушке слоя ЛГМ и их тестирование....................................................................................................97

2.14.1. Итерационно-интерполяционный метод (ИИМ): разностная схема ..........................................................................................................................97

2.14.2. Сравнение результатов решения задачи Блазиуса..........................99

2.14.3. Алгоритм решения сопряженной постановки задачи тепло- и массообмена..................................................................................................100

2.14.4. Метод Гира и его применение к решению систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений.........................................101

2.15. Выводы.....................................................................................................103

Глава III. Математическое моделирование сушки слоя JITM в упрощенной постановке. Сравнение с результатами решения сопряженной постановки задачи и экспериментальными данными..........................................................104

3.1. Упрощенная постановка задачи о сушке слоя ЛГМ с использованием уравнения сохранения энергии для к-фазы.................................................104

3.2. Результаты расчетов и их сравнение с эталонным решением,

полученным в результате решения сопряженной задачи......................107

3.3 Упрощенная раздельная постановка задачи о сушке слоя ЛГМ......111

3.4. Результаты расчетов для суточных изменений метеоусловий и их анализ................................................................................................................112

3.5. Результаты расчетов для сезонных изменений метеоусловий и их анализ................................................................................................................115

3.6. Сравнение результатов по упрощенной модели с расчетами в сопряженной постановке задачи................................................................122

3.7. Влияние угла наклона земной поверхности на сушку слоя ЛГМ.... 123

3.8. Результаты экспериментов о влиянии угла наклона земной поверхности на сушку ЛГМ..........................................................................126

3.9. Результаты расчетов для сушки ЛГМ для различной плотности солнечной радиации qR(h).............................................................................130

3.10. Методика численного решения упрощенной постановки задачи о сушке слоя ЛГМ..............................................................................................133

3.11. Экспериментальное исследование условий перехода низового лесного пожара в верховой............................................................................133

3.11.1. Методика проведения эксперимента..............................................133

3.11.2. Влияние теплового потока на нижние ветки подроста................135

3.11.3. Влияние угла наклона земной поверхности и скорости ветра на

возникновение верхового лесного пожара................................................138

3.12. Выводы.....................................................................................................142

Глава IV. Физическое и математическое моделирование степных и полевых пожаров.................................................................................................................144

4.1. О типах степной и полевой растительности..................................144

4.2. Экспериментальное исследование критических условий возникновения степных пожаров................................................................145

4.2.1. Описание методики проведения эксперимента...............................145

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований...............................147

4.2.3. Выводы................................................................................................150

4.3. Результаты натурных экспериментальных исследований распространения полевых пожаров............................................................151

4.3.1. Описание экспериментальных площадок, методика их выбора и комплекс измерительного оборудования...................................................151

4.3.2. Методики проведения экспериментов и результаты исследований. ........................................................................................................................154

4.3.3. Экспериментальное исследование распространения полевого пожара и его воздействия на деревянные конструкции и залежь торфа 161

4.4.4. Воздействие полевых пожаров на атмосферу.................................172

4.4. Экспериментальное исследование возникновения и распространения степных пожаров..........................................................174

4.4.1. Описание экспериментальной площадки.........................................174

4.4.2. Определение температур во фронте степного пожара...................176

4.4.3. Экспериментальное исследование возникновения степного пожара от точечного источника зажигания.............................................................180

4.4.4. Экспериментальное исследование влияния скорости ветра на скорость распространения степного пожара.............................................182

4.4.5. Экспериментальное исследование влияния скорости ветра на геометрические характеристики пламени фронта горения......................184

4.5. Математическая модель возникновения и распространения степного пожара в двумерной постановке................................................187

4.5.1. Физическая постановка задачи.........................................................187

4.5.2. Математическая модель распространения степных пожаров........188

4.5.3. Результаты численных расчетов и сравнение с экспериментальными данными...................................................................191

4.5.4. Выводы:...............................................................................................194

Глава V. Физическое моделирование торфяных пожаров..............................196

5.1. Экспериментальное исследование влияния интенсивного теплового излучения на режимы воспламенения торфа...........................................196

5.1.1. Описание методики проведения эксперимента...............................196

5.2.2. Результаты экспериментальных исследований...............................202

5.1.3. Выводы................................................................................................209

5.2. Экспериментальное исследование коэффициента излучения при горении торфа.................................................................................................210

5.3. Экспериментальное определение глубины фронта горения торфа ............................................................................................................................213

5.3.1. Описание методики проведения эксперимента...............................213

5.3.2. Результаты экспериментальных исследований...............................219

5.3.3. Выводы:...............................................................................................223

5.4. Экспериментальное исследование теплового воздействия фронта горения торфа на воспламенение древесины.............................................224

5.4.1. Описание методики проведения эксперимента...............................224

5.4.2. Результаты экспериментальных исследований...............................228

5.4.3. Выводы:...............................................................................................234

5.5. Выводы.......................................................................................................235

Глава VI. ИК-методы измерения температуры при горении РГМ.................236

6.1. О трудностях измерения температуры в пламени.........................236

6.2. Определение коэффициентов излучения при различном влагосодержании РГМ...................................................................................240

6.3. Частотный анализ температурных измерений...............................245

6.4. Частотный анализ натурных измерений температуры при горении СГМ...................................................................................................................248

6.5. Экспериментальное исследование прозрачности пламени при горении РГМ, его влияние на регистрацию высокотемпературных

объектов и частотный анализ изменения температуры......................251

6.5. Выводы.......................................................................................................259

Заключение...........................................................................................................260

Литература:..........................................................................................................263

Введение

Общая характеристика работы. Работа посвящена исследованию процессов, протекающих при возникновении и распространении природных (лесных, степных и торфяных) пожаров. Актуальность исследования природных пожаров с целью прогноза их возникновения и распространения несомненна. В работе представлены результаты по математическому моделированию процессов сушки лесных горючих материалов (ЛГМ) в сопряженной постановке задачи с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ и в упрощенной раздельной постановке, моделированию воспламенения и горения торфа, распространению степных пожаров, а также исследованию свойств пламени при горении растительных горючих материалов в инфракрасном диапазоне и особенностям регистрации высокотемпературных объектов при помощи тепловизоров. При решении поставленных задач использовались понятия и методы механики жидкости и газа, механики многофазных реагирующих сред, что позволило на должном научном уровне не только изучить рассматриваемые явления, но и прогнозировать их возникновение и развитие.

Актуальность темы и востребованность результатов работы связана с ростом числа природных пожаров с тяжелыми последствиями как для экологии, так и для хозяйственной деятельности человека, которые вызваны как природными явлениями, так и возросшей антропогенной нагрузкой. Примерами таких пожаров, которые можно приравнивать к чрезвычайным ситуациям, приведшим к катастрофическим последствиям и значительному материальному ущербу, могут являться лесные и торфяные пожары в Европейской части России в июле и начале августа 2010 года, пожары в Греции (2007, 2009 г.г.), в Австралии (2009 г.), в США (2008, 2009, 2011 гг.), а также пожар в мае 2000 г., в г. Лос-Аламос (США) в результате которого было уничтожено около 500 домов, все население города было эвакуировано, а деятельность знаменитой Лос-Аламосской лаборатории была под угрозой и велась в особом режиме.

На возникновение и распространение природных пожаров влияет большое количество факторов как климатических, так и связанных с деятельностью человека. В последние годы, в связи с активным обсуждением вопросов изменения климата, особое внимание к природным пожарам вызвано их влиянием на приземный слой атмосферы посредством выбросов значительных концентраций аэрозолей и окисляющих атмосферу газов. Так, например, по состоянию на 4 августа 2010 года облако от дыма лесных пожаров в Европейской части России достигало ширины в 3 ООО км и поднялось на высоту около 12 км по данным NASA.

В данной работе приводятся результаты математического и физического моделирования сушки слоя лесных горючих материалов (ЛГМ). Приведены математическая модель сушки слоя ЛГМ, которая использовалась для решения сопряженной задачи с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ, а также предложены упрощенные математические модели, применение которых позволит делать опережающие прогнозы возникновения пожарной опасности. Кроме того, приводятся результаты экспериментальных исследований воспламенения и горения торфа, возникновения степных и полевых пожаров в результате чего получены параметры воспламенения, характеристики фронта горения. Необходимо отдельно отметить приведенные в данной работе результаты исследований характеристик пламени при горении растительных горючих материалов в инфракрасном (ИК) диапазоне. Были впервые выявлены характерные частоты изменения температуры в пламени, вызванные его неоднородной структурой, приведены результаты влияния пламени на регистрацию экранированных пламенем высокотемпературных объектов методами ИК-диагностики.

Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании сушки лесных горючих материалов с использованием различных математических моделей, в том числе в сопряженной постановке с учетом течения в пограничном слое над поверхностью слоя ЛГМ, выборе

оптимальной модели сушки ЛГМ, исследовании возникновения и распространения лесных, степных и торфяных пожаров, определении характеристик фронта горения, исследовании характеристик пламени при горении растительных горючих материалов при помощи методов ИК-диагностики и изучении особенностей регистрации высокотемпературных объектов в среднем ИК-диапазоне.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. В результате экспериментальных исследований сушки ЛГМ с использованием дозвуковой аэродинамической трубы МТ-324 впервые было установлено, что угол наклона плоскости слоя ЛГМ к горизонту в пределах 0°<а<20° для ламинарного потока воздуха, скорость которого меняется в пределах от 0 м/с до 0.7 м/с, и плотность укладки элементов ЛГМ в пределах ps=(44.5-l 10.6) кг/м слабо влияют на процесс сушки.

2. Экспериментально найдены условия, при которых возможно распространение фронта низового лесного пожара от первоначального очага возгорания слоя ЛГМ.

3. Путем сравнения результатов математического моделирования с экспериментальными данными, было установлено, что наиболее точной постановкой, адекватно описывающей ход суточных и сезонных изменений температуры воздуха, а также действия ветра и солнечного излучения, является двухтемпературная математическая модель [1], для построения которой использовалась теория процессов переноса в многофазных средах [2] и представления A.B. Лыкова о сопряженном тепло- и массообмене [3].

4. На основе анализа экспериментальных и численных результатов было показано, что внутри слоя ЛГ