Математическое моделирование воздействия заданного потока воды на динамику лесных пожаров и определение параметров, необходимых для успешной борьбы с пожарами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

9

На правах рукописи

Лощилова Наталья Алексеевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКА ВОДЫ НА ДИНАМИКУ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ УСПЕШНОЙ БОРЬБЫ С ПОЖАРАМИ

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 0 РОЯ 2014

Нижний Новгород - 2014

005555582

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им P.E. Алексеева

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Куркин Андрей Александрович

Официальные оппоненты: Кочетков Анатолий Васильевич,

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник НИИ механики при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» (Национальный исследовательский университет)

Лобода Егор Леонидовнч

доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Физической и вычислительной механики» механико-математического факультета федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национального исследовательского Томского государственного университета» (ММФ ТГУ)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России

Защита состоится 17 декабря 2014 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.10 при НГТУ по адресу 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 1, ауд. 1258.

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

Автореферат разослан «13» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

fß/^j----Катаева Л.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и востребованность результатов работы связана с возможностью их использования для оптимизации подачи воды в зону горения при тушении лесного пожара, создания новых способов борьбы с ними и минимизации возможного ущерба.

Динамика борьбы с крупными лесными пожарами, как в России, так и за рубежом показала, что существующие современные способы не всегда позволяют успешно бороться с ними. Борьба с крупными лесными пожарами и ее успешность во многом определяется успешностью и продуманностью стратегии, основанной на анализе как распространения пожара с учётом возможных сценариев. его развития, так и его взаимодействия со свободной водой, подаваемой в очаг. Как известно, при использовании воды для тушения пожара, основными : факторами является поглощение тепловой энергии на испарение и уменьшение доступа кислорода в зону горения за счёт образующегося водяного пара. Эффективность влияния воды на динамику лесного пожара в таком случае существенно зависит от режима и зоны подачи воды. Точки уязвимости пожара, зачастую невидимы для глаза человека, что приводит к снижению эффективности тушения пожара при ручном управлении процессом выбора точки прицела подачи воды. В современной научной литературе существует- огромное количество моделей разного уровня, позволяющих описывать динамику лесного пожара и модели, позволяющие реконструировать струю воды. Все их можно разделить на эмпирические, полуэмпирические, физические и статистические.

Среди математических моделей лесных пожаров следует выделить эмпирические (F.A. Albini и др.) и полуэмпирические модели (G.D. Richards, М.А. Finney, G.M. Byram, С. Tymstra, К. Lichtenegger, Г.А. Доррер, Г.Н. Коровин и. др.). - Эти модели не позволяют достаточно точно прогнозировать положение кромки пожара и не дают возможности определять динамику всего пожара, что является существенной помехой для эффективного размещения пожарных и техники. Полуэмпирические модели, как правило, основаны на использовании закона сохранения энергии. Игнорирование законов сохранения массы и количества движения приводит к необходимости корректировать закономерности распространения лесного пожара на основе обобщении статистических и экспериментальных данных. Эти модели используют той или иной алгоритм для определения динамики кромки пожара. В них как правило не представляется возможным детально моделировать взаимодействие пожара с водой, использованной для его тушения, а также находить наиболее эффективные сценарии борьбы с пожаром, основанные на физических законах, лежащих в основе происходящих процессов.

Физические модели (A.M. Гришин, В.А. Перминов, Л.Ю. Катаева и др.) лесных пожаров позволяют, на основе законов механики реагирующих сред, получить детальную картину динамики лесного пожара, но при этом, требуют большого объёма вычислений. Данные модели включают в себя ряд процессов, моделирование которых достаточно трудоёмко, но при этом ими нельзя полностью пренебречь в силу их большого влияния на динамику пожара.

Одной из наиболее простых физических моделей является Dynamic data driven application system (DDDAS). Данная модель включает в себя два дифференциальных уравнения в частных производных относительно доли запаса лесных горючих материалов (ЛГМ) и температуры слоя с учетом скорости реакции в форме закона Аррениуса.

Эффективность тушения пожара определяется способностью подавать воду в зону пожара в достаточном количестве для смачивания и охлаждения лесных горючих материалов. Сценарий подавления пожара во многом определяется способностью средств пожаротушения доставить воду в горящую цель на как можно большее расстояние. Начальный размер капель в потоке воды и их начальная скорость имеют решающее значение для проникновения воды в зону горения.

В большинстве работ (А.С. Шишаева, И.Л. Майкова и др.) рассматривается динамика струи воды в воздухе, тогда как внутри полога леса ветки, листья и хвоинки оказывают существенное влияние на динамику воды. Учитывая неоднородную конфигурацию лесных горючих материалов, моделирование динамики испарения воды представляет собой сложную задачу. Однако этому вопросу посвящено множество экспериментальных работ (Ю.Б. Базаров, Ю.В. Алеханов). Моделирование динамики испарения капли и траектории ее полета рассматривалось в работах (И.Ф. Безродный, Г.В. Кузнецов, В.П. Ольшанский, C.I. Кучеренко, Wenhua Yanga, Е. Blanchard, C.F. Zhang и др.). Моделирование как мелких капель в струе воды, так и процесса испарения капли представляет собой отдельную задачу, которая выходит за рамки исследования данной диссертации.

Скачок в техническом прогрессе и значительный рост вычислительной мощности и быстродействия современной вычислительной техники, даёт возможность использовать всё более точные физические модели, но при этом всегда остаётся актуальным вопрос об эффективности её использования. Таким образом, выбор модели для численной реализации и её параметров дискретизации является компромиссом между вычислительными затратами и точностью результатов.

Признавая вклад упомянутых ученых, следует отметить, что на сегодняшний день недостаточно разработаны инструменты, позволяющие не только моделировать динамику тушения лесных пожаров, но и находить оптимальные условия. Существующие физические модели рассматривают распространение лесного пожара и динамику струи воды по отдельности, не рассматривая весь комплекс протекающих процессов как единое целое.

Результат анализа существующих моделей тушения лесных пожаров задал вектор настоящему исследованию. Поэтому представляется перспективной разработка нового подхода к моделированию тушения пожара в лесу, отличающегося от известных к настоящему времени и поиску оптимальных параметров тушения пожара. Это обусловило выбор темы исследования, формулировку его цели и задач.

Объектом исследования являются лесные пожары в лесах Нижегородской области.

Предметом исследования является влияние сценариев и параметров подачи воды на динамику пожара.

Цель диссертационной работы состоит в постановке и исследовании воздействия заданного потока воды на динамику лесного пожара и определение параметров, необходимых для успешной борьбы с ним.

В соответствии с обозначенной целью поставлены следующие задачи диссертационного исследования:

• применить понятия и методы механики реагирующих многофазных сред для моделирования процессов динамического взаимодействия заданного нестационарного потока воды, создаваемого неподвижной или движущейся водяной пушкой и лесного пожара;

• осуществить программную реализацию и моделирование новых способов подачи воды в зону лесного пожара с учётом различных динамических сценариев;

• разработать алгоритм нахождения критических значений параметров потока воды, обеспечивающих прекращение распространения лесного пожара;

• исследовать взаимодействие потока воды с лесными пожарами в зависимости от выбранного сценария подачи воды и осуществить поиск оптимальных значений параметров для тушения;

• осуществить сравнительный анализ полученных результатов с известными данными по критическому количеству воды, необходимой для тушения лесного пожара.

Научная новизна результатов работы

1. Впервые на основе методов механики реагирующих сред сформулированы и обоснованы физико-математические постановки взаимодействия потока воды и лесного пожара. Разработана двумерная и квазитрёхмерная модель подачи воды источником, движущимся параллельно фронту пожара. Разброс воды в этих моделях задаётся по нормальному закону распределения вокруг точки прицела в предположении мгновенного попадания в зону горения.

2. Численные результаты показали, что при подаче воды в нижнюю часть зоны пожара с температурой выше критической пламя вытесняется из нижней части слоя лесных горючих материалов, а конвективные потоки не способствуют возобновлению горения на потушенных участках. Это существенно снижает требуемый для тушения массовый расход воды.

3. На основе численных расчётов динамики пожара с учётом предложенных моделей подачи воды проведён анализ различных сценариев подачи воды в область пожара.

4. Проведена верификация полученных моделей на основе аналитических решений и тестовых расчетов с известными экспериментальными и теоретическими исследованиями.

5. Найдены критические значения, как для точки прицела, так и для скорости подачи воды необходимые для успешного тушения лесного пожара.

6. Разработана программная реализация описанных выше алгоритмов.

Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в разработке физико-математических моделей тушения лесного пожара водой, подаваемой стационарно стоящей или движущейся водяной пушкой на основе законов механики реагирующих сред, позволяющих исследовать влияние различных стратегий тушения на его динамику.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в оценке критических значений расхода воды и скорости движения водяной пушки, необходимых для успешного тушения пожара. Результаты могут быть использованы для совершенствования стратегии и тактики борьбы с крупными лесными пожарами с учётом изменения розы ветров и определения наиболее опасных участков.

Положения, выносимые на защиту

1. Впервые осуществлено математическое моделирование тушения лесного пожара при помощи водяной пушки с учетом аэродинамики протекающих процессов на основе законов механики реагирующих сред и заданного расхода воды.

2. Получены оценки критических значений расхода воды при разных сценариях её подачи.

3. Разработана квазитрёхмерная модель тушения лесных пожаров с учётом движения водяной пушки вдоль фронта пожара.

4. Алгоритм оптимизации параметров подачи воды в область лесного пожара, учитывающий уязвимость зон пожара по температуре среды и местоположению точки прицела.

5. Выявлены основные факторы, рассматриваемых сценариев подачи воды, влияющие на эффективность тушения, такие как высота точки прицела, массовый расход воды, критическая температура.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации отражены в 24 научных публикациях, в том числе в 7 работах в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях: 20-ая Юбилейная Международная научно-практическая конференция по графическим информационным технологиям и системам «КОГРАФ-2010», Н.Новгород, 2010; Всероссийская научная конференция «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф», Томск, 2010; ФОРУМ «Суперкомпьютерные технологии и высокопроизводительные вычисления в образовании, науке и промышленности». Секция «Суперкомпьютерные технологии в промышленности», Н. Новгород, 2011; XXVII Международная научно-практическая конференция «Инновации в науке», Новосибирск, 2013; 4th Fire Behavior and Fuels Conference, St. Petersburg, 2013; Всероссийская научно-практическая заочная конференция «Достижения и приложения современной информатики, математики и физики», Нефтекамск, 2013; Международная студенческая конференция: «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира», Н. Новгород, 2013; Международная научно-практическая конференция: перспективы

развития науки, Уфа, 2014; XIII Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки», Н. Новгород, 2014.

Полученные результаты используются в исследовательских проектах, выполняемых при участии автора диссертации: РФФИ 11-08-97074-р_Поволжье_а «Математическое моделирование, мониторинг и прогноз динамики лесного пожара (на примере Нижегородской области)», 13-03-91164-ГФЕН_а «Экспериментальное исследование кинетики и механизма термического разложения лесных горючих материалов и процессов распространения пламени по их слою».

Достоверность полученных результатов обусловлена корректным использованием хорошо апробированной общей модели лесных пожаров и известных численных схем. В основе новых моделей лежат физически обоснованные предположения, сделанные на основе экспериментальных и теоретических данных по динамике движения и испарению капли. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с известными экспериментальными и теоретическими данными по оценке необходимого для тушения количества воды на единицу площади фронта пожара.

Личный вклад. В работах [1-24] автору диссертации принадлежит идея и обоснование математической модели тушения пожара, а также проведённые численные расчёты. В совместных работах, научному руководителю принадлежат обсуждение результатов, а также выбор методов исследования.

Объем и структура диссертации. Объем диссертации 123 машинописных страниц. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников, состоящего из 170 наименований. В работе содержатся 45 формул, 5 таблиц и 30 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой темы, устанавливаются цель и задачи, определяются предмет и объект исследования, демонстрируются теоретическая и практическая значимость проведенных исследований, приводится обоснование научной новизны полученных результатов. Коротко освещаются изученные проблемы и результаты, ранее полученные в области моделирования лесных пожаров, струи воды, динамики испарения капли и взаимодействия мелкодисперсной воды и огня.

Глава 1 является вводной, в ней отражается современное состояние моделирования динамики лесных пожаров. § 1.1 посвящен обсуждению современных подходов к моделированию лесных пожаров. Анализ современных моделей лесных пожаров показал, что наиболее полными являются физико-математические модели. Именно эти модели в дальнейшем используются для решения задач, поставленных в диссертации. В § 1.2 приведён обзор методов моделирования струи воды. Анализ экспериментальных и теоретических работ в области исследования динамики струи показал, что для тушения лесных пожаров предпочтительнее использовать компактные струи, позволяющие осуществлять подачу воды на большие расстояния. § 1.3 посвящен моделированию частиц воды, водяных завес и сплинкерных систем. Исследования взаимодействия капли воды и

горячей среды показали, что для тушения лесных пожаров нецелесообразно использовать тонкораспылённую воду, так как под действием конвективных течений, формируемых при горении, вода уносится из зоны пожара, не успевая испариться. Таким образом, анализ российских и зарубежных источников показал, что нет физико-математических моделей, на основе механики реагирующих сред, позволяющих моделировать процесс динамической подачи воды и тушения лесного пожара при помощи водяной пушки с учетом её движения.

Глава 2 приводятся постановки решаемых задач о динамике лесного пожара. § 2.1 посвящен описанию физико-математической постановки динамики лесного пожара и его взаимодействия со свободной водой, включая модели подачи воды по всему фронту пожара и при помощи водяной пушки, движущейся параллельно фронту пожара. В пункте 2.1.1 приводится физико-математическая постановка задачи о распространении лесных пожаров и изменения, которые необходимо в неё внести, для моделирования тушения пожаров. Для моделирования тушения необходимо ввести дополнительную фазу, соответствующую свободной воде, которая может, как расходоваться за счёт кипения, так и пополняться, например, в результате подачи её в область горения.

= (1)

где д, - массовая скорость процесса кипения свободной воды, кг/(см3); р4 -истинная плотность, кг/м3; <р4- объемная доля свободной воды; /(х,:,1) -массовая скорость подачи свободной воды, кг/(с м3). Интенсивность процесса кипения определяется наличием воды, её подачей в заданную точку и температурой среды.

■^■Т'^рмср, + при <рь > 0 и Т = Ть

при <р4=0нТ>Ть , (2)

О, иначе

Л4 =

где д4 - энергия испарения свободной воды, Дж/кг; с „р^щ -

от

удельные теплоемкости, плотности и объемные доли /-й фазы многофазной реагирующей среды (/ =1 - сухое органическое вещество,; =2 - вода в жидко капельном состоянии, / =3 - конденсированные продукты пиролиза, / =2 -свободная вода); ср5 - удельная теплоемкость газовой фазы, Дж/К; рь плотность газовой фазы; кг/м3; Ть - температура кипения.

В пункте 2.1.2 описана модель, основанная на предположении независимости динамики пожара и интенсивности подачи воды от продольной

координаты. Предполагается, что вода подаётся в заданную точку с рассеянием по распределению Гаусса согласно соотношению

/(*,*,*) =-pL-exp

(x-x0(t)f +(z-z0

,\2 \

где хо(0, го(0 - координаты точки прицела водяной пушки; и<„„ - массовый расход воды на метр фронта, кг/(м с); а, м - среднеквадратическое отклонение, обуславливающее дальность разлёта частиц воды от точки прицела. Физическая постановка задачи показана на рис. 1. г,гА*

Рис. I Физическая модель подачи воды в зону горения в двумерной постановке

Пункт 2.1.2 посвящен моделированию подачи воды во фронт пожара в двумерной постановке равномерно по всей длине фронта.

4 т

4 а2

(4)

Лес однороден по всей высоте. Подача воды осуществляется с заданной интенсивностью. Капли предполагаются такими, что долетают до цели, полностью испаряясь.

В данной постановке использовались различные сценарии выбора точки центра подачи воды.

Сценарий 1. Выбор ближайшей по оси х к водяной пушке точки в слое леса, в которой температура превышает величину Тсг, заданную в алгоритме работы пушки. Если несколько ячеек расчётной области имеют одинаковую координату х и температуру выше Тсг, то в качестве прицела выбирается точка с наибольшей высотой.

Сценарий 2. Среди множества всех ячеек содержащих лес, и лежащих в области досягаемости водяной пушки, выбираются ячейки, высота которых не ниже заданной Исп и имеющих температуру, превышающую критическое значение Тсг. Если таких ячеек нет, то подача воды не производится, в противном случае выбирается ячейка с наименьшей высотой, а если их несколько, то ближайшая к источнику подачи воды.

Пункт 2.1.3 первого параграфа посвящён квазитрёхмерной постановке подачи воды в зону пожара, позволяющей учитывать движение водяной пушки вдоль фронта пожара на постоянном расстоянии от него.

Предполагается, что пушка стреляет навесом, таким образом, что вся вода падает на кромку пожара сверху и распределяется по закону Гаусса для двумерного случая

у/ ч У(/) /(х,у,() =—^у ехр

4 ли г

(х-х0)2 +{у-у0)2 4а г2

(5)

где а - среднеквадратическое отклонение, обуславливающее дальность разлёта частиц воды от точки прицела, м; х0, у о — координаты точки прицела водяной пушки, м; V - массовый расход воды, кг/с. В процессе тушения пожара прицельная точка выбирается следующим образом: у0 изменяется по линейному закону

у0=У-и„1, (6)

где 1/„ - проекция скорости движения водяной пушки на ось у, х0 определяется на основе вычисления точки ядра пожара в плоскости у=у0 согласно формуле

| |х(т\х,г)-Те*}Ьс1х

хо="Т^Г/-> (7)

Лтах / / \

| \{г\ху2)-Те^гсЬс

*п«х-ДГ 0

где хтах - координата максимальной температуры внутри полога леса, Д/■-ширина фронта пожара, hf- высота слоя леса, Те - температура окружающей среды.

Физическая модель подачи воды и схема тушения пожара, рассматриваемая в данной постановке, показана на рис. 2. С учётом закона движения источника подачи воды, путём несложных преобразований интенсивность подачи воды приводится к виду

(8)

Рис. 2 Физическая модель подачи воды в зону горения в квазитрёхмерной постановке

Целесообразно начинать моделирование тушения пожара с момента времени, когда количество поступающей воды станет существенным, поэтому

моделирование предлагается начинать от момента времени / = -

4а^

который и предлагается считать нулевым.

В § 2.2 описываются Особенности численного решения задачи о тушении лесного пожара. Особое внимание уделяется дискретизации интенсивности подачи воды.

В § 2.3 приведён алгоритм метода дихотомии для нахождения критических значений массового расхода воды и скорости движения водяной пушки для различных условий подачи воды.

В главе 3 приведены алгоритмы и результаты численного моделирования динамики лесных пожаров для различных сценариев тушения пожара и их анализ. В § 3.1 приведены результаты численного моделирования взаимодействия потока воды с лесным пожаром в двумерной постановке. Из результатов, полученных в пункте 3.1.1 видно, что наиболее эффективно тушение при температуре 800 К. В случае если подача воды производится в область более низких температур, требуемая интенсивность увеличивается в связи с тем, что вода тратится на охлаждение растительности, находящейся впереди кромки пожара. В отсутствии подачи воды в эту область, часть этой энергии рассеялась бы за счёт внешнего поля скоростей. Использование в качестве точки прицела области низких температур не приводит к катастрофическому росту требуемой интенсивности подачи воды. Выбор точки обстрела в области с высокими температурами, свойственными ядру очага приводит к уменьшению рассеивания энергии на излучение, интенсивность которого, согласно закону Стефана-Больцмана пропорциональна четвёртой степени температуры, а это в свою очередь требует увеличения интенсивности подачи воды. Уменьшение интенсивности распространения лучистой энергии приводит не только к уменьшению её потерь, но и к некоторому замедлению распространения пожара, что позволяет остановить его распространение, хотя и с несколько большими затратами воды. В таблице 1 приведены результаты численных экспериментов по моделированию тушения пожара при помощи заданного потока воды в двумерной постановке по сценарию 1. Под критической интенсивностью понимается значение интенсивности, являющееся в данном расчёте необходимым и достаточным для остановки пожара.

Таблица 1

Критическая температура, К Критическая интенсивность подачи воды, кг/(м с)

450 2,375

500 2,111

550 1,995

600 1,885

800 1,726

900 1,759

Критическая температура, К Критическая интенсивность подачи воды, кг/(м с)

1100 1,796

1500 2,677

В пункте 3.1.2 рассматривается подача воды на высоты не ниже 0,2 м, 0,6 м, 1,0 м и т.д. с шагом 0,4 м. Рассматривалось только одно значение критической температуры Тсг=800 К. В таблице 2 приведены результаты расчётов, показывающие критическую величину интенсивности подачи воды в зависимости от минимальной высоты. В таблице 2 видно, что наиболее эффективное использование воды достигается в случае отсутствия ограничений на высоту. Далее, с ростом высоты, эффективность постепенно снижается до достижения уровня, когда пожар продолжается, несмотря на существенно большую интенсивность подачи воды.

Таблица 2

Зависимость эффективности тушения пожара _от миннмальной высоты подачи воды_

Минимальная высота подачи Критическая интенсивность

воды (hcr), м подачи воды, кг/(м-с)

0,2 0,625

0,6 1,009

1 1,137

1,4 1,157

1,8 1,231

2,2 1,273

2,6 >4

>2,6 >4

На рис. 3 показана динамика пожара при 7'СГ=800К, IV¡„,=0,626 кг/(м с), Исг=0,2 м. На начальном этапе подачи воды (0,8 с) нижняя часть фронта пожара становится существенно тоньше за счёт кипения воды, прицельно подаваемой в его переднюю часть у основания. Это вытесняет пожар из нижней части растительности (1,2 с). На момент 1,6 с можно видеть, что низ фронта пожара также отстаёт, и затем гаснет (2 с). На 1=2,4 с видно, что горение распространяется вниз, однако алгоритм выбора точки подачи воды не даёт развиться этому процессу, постепенно вытесняя горение вверх. Следует также отметить, что по мере вытеснения пожара из нижней части слоя, данный процесс ускоряется. Это связано с тем, что интенсивность подачи воды постоянна, а энергия, выделяемая вследствие процессов пиролиза и горения, уменьшается.

В § 3.2 приведены результаты моделирования подачи воды источником, движущимся параллельно фронту пожара. Пункт 3.2.1 посвящен исследованию влияния интенсивности подачи воды на критическую скорость движения

водяной пушки. В таблице 3 приводятся критические значения скорости водяной пушки в зависимости от интенсивности подачи воды и ее расхода на метр фронта пожара. С ростом интенсивности подачи воды, уменьшаются потери на преодоление нагретой среды в конвективной колонке, что способствует повышению эффективности тушения и уменьшению расхода воды.

На рис. 4 показана динамика взаимодействия пожара и воды, подаваемой источником. Как можно видеть в левом столбце отсутствует конвективная колонка, так как энергия нагретых конвективных потоков газовой фазы тратится на испарение подаваемой воды. В правой колонке рисунка можно видеть, что фронт пожара быстро понижает температуру, не успевая выделять достаточное количество энергии для противодействия воде. Вследствие этого при большей интенсивности подачи воды общий расход на единицу длины фронта уменьшается._

и- . . .

т

10 15 20

: 17:

15 20

1 гооо 10

р 6

1500

з 6

1000 4

2

L Г

Рис. 3 Динамика распространения пожара при ТСГ=800К, Шш=0,62бкг/(м с), hcr =0,2 м

Таблица 3

Зависимость скорости движения водяной пушки и расхода воды на _метр фронта пожара от интенсивности её подачи_

Расход воды, кг/с Критическая скорость движения водяной пушки, м/с Расход воды на метр фронта пожара, кг/м

40 0,726 54,79

50 1,290 38,76

60 3,129 19,17

Расход воды, кг/с Критическая скорость движения водяной пушки, м/с Расход воды на метр фронта пожара, кг/м

70 4,458 15,70

80 6,533 12,25

90 8,640 10,42

100 10,866 9,20

110 11,485 9,57

120 15,566 7,71

Рис. 4 Динамика распространения пожара при обстреле по центру ядра пожара; слева: интенсивность 40 кг/с и скорость движения водяной пушки О,725 м/с, справа, интенсивность 120 кг/с и скорость движения водяной пушки 15,567 м/с

Пункт 3.2.2 посвящен моделированию промахов водяной пушки. Исследуется эффективность работы водяной пушки с расходом 100 кг/с при её отклонении от точки прицела на 25, 50, 100 см, как по направлению распространения пожара, так и против него. В дальнейшем положительным числом будет выражаться смещение прицела в направлении распространения пожара. В качестве критерия эффективности была выбрана критическая скорость движения водяной пушки: чем она выше, тем более эффективно тушение пожара при таких условиях. Зависимость критической скорости от выбора точки прицела показана в таблице 4.

Таблица 4

Зависимость эффективности водяной пушки

Отклонение точки Критическая скорость

прицела, м движения водяной пушки, м/с

-1 7,770

-0,5 11,100

-0,25 11,309

0 10,866

+0,25 8,647

+0,5 6,182

Отклонение точки прицела, м Критическая скорость движения водяной пушки, м/с

+1 4,257

Согласно полученным результатам, отклонение точки прицела вдаль против направления распространения пожара на расстояние не более 0,5 м незначительно повышает эффективность тушения, тогда как промах в направлении распространении горения приводит к более ощутимому падению эффективности. Такой эффект обуславливается тем, что скорость ветра превышает скорость пожара. Охлаждённые за счёт кипения и разбавленные водяным паром массы газовой фазы вдуваются в область горения, создавая менее благоприятные условия для распространения пожара.

В § 3.3 исследуется влияние скорости ветра на критическую интенсивность подачи воды при подаче воды в нижнюю часть области с температурой выше 800 К. Эта зависимость приведена в таблице 5.

В § 3.4 приводятся оценки энергии ключевых процессов. Проводится сравнение расхода воды на единицу площади пожара с данными И.М. Абдурагимова.

Таблица 5

Зависимость критической интенсивности подачи воды от скорости ветра

Скорость ветра на верхней границе слоя ЛГМ, м/с Критическая интенсивность подачи воды, кг/(м с)

1,33 0,229

2 0,425

2,67 0,451

3,33 0,493

4 0,531

4,67 0,538

5,33 0,689

6 0,699

6,67 0,745

7,33 0,799

8 1,018

10 1,411

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Сформулируем основные результаты, полученные в настоящей работе:

1. Проведён критический анализ работ, посвященных исследованию влияния водяного тумана на процессы горения, показавший, его эффективность только в случае тушения пожаров в туннелях и замкнутых пространствах. Таким образом, данный класс моделей неприменим для моделирования тушения лесных пожаров вследствие наличия сильного конвективного потока.

2. Усовершенствована модель тушения лесного пожара путём введения различных способов подачи воды от стационарного и движущегося источника.

3. Выполнено моделирование тушения лесного пожара с учётом двух моделей подачи воды: двумерной, в которой вода подаётся равномерно по всему фронту лесного пожара, и квазитрёхмерной, предусматривающей учёт движения источника подачи воды в поперечном направлении.

4. Получены оценки критических значений массового расхода воды в зависимости от критической температуры, высоты и скорости ветра. Показано, что наибольшая эффективность тушения пожара достигается при подаче воды в нижнюю часть зоны с температурой выше критической.

5. Подача недостаточного количества воды в нижнюю часть зоны с температурой выше критической при заданных условиях приводит к повторному возгоранию позади фронта пожара, что препятствует успешному тушению.

6. Показано, что рост скорости ветра приводит к существенному нелинейному увеличению требуемого массового расхода воды для успешного тушения пожара. При большой скорости ветра эффективность тушения ограничивается вследствие увеличения горизонтальных размеров фронта пожара.

7. На основе физико-математической модели тушения пожара при помощи движущейся водяной пушки получены результаты численных расчётов показавшие, что с ростом массового расхода воды повышается эффективность её использования.

8. Проведено сравнение выполненных численных расчётов с известными инженерными методиками и экспериментальными данными. Показано хорошее согласование при расчёте количества воды на единицу площади фронта пожара.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Моделирование тушения пожара водяной пушкой, движущейся параллельно фронту пожара / А.Д. Ложкарева, H.A. Романова (Лощилова), Л.Ю. Катаева, Д.А. Масленников, И.В. Беляев // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 6. - Ч. 7 .- С. 1369-1374.

2. Об оптимальной стратегии тушения лесного пожара водяной пушкой / Нищенков В.В., H.A. Романова (Лощилова), Катаева Л.Ю., Масленников Д.А., Лощилов A.A. // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3.- 8 с. URL: www.science-education.ru/117-13179 (дата обращения: 24.06.2014).

3. Особенности создания баз данных на основе веб-технологий для моделирования лесных пожаров (Высокоборское лесничество Борского района Нижегородской области) / И.В. Рылков, Л.Ю. Катаева, Д.А. Масленников, H.A. Романова (Лощилова), О.И. Рылкова, С.А. Тарнаева, A.A. Лощилов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. 8 с. URL: www.science-education.ru/113-11669 (дата обращения: 24.06.2014).

4. Реализация модели распространения верхового лесного пожара с использованием технологии параллельного программирования / H.A. Катаева (Лощилова), [и др.] // Пожаровзрывобезопасность. - 2010.- Т.19.- №10. - С.38-40.

5. Романова (Лощилова), H.A. О зависимости массового расхода воды для успешного тушения лесного пожара от температуры точки прицела / H.A. Романова (Лощилова), Лощилов А. А., Беляев И. В., Катаева Л. Ю. [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 6. - Ч. 7. - С. 1380-1383.

6. Система централизованной обработки экспериментальных данных исследования естественных и искусственных возмущений ионосферы / С.Н. Митяков, Л.Ю. Катаева, И.В. Беляев, P.A. Петрухин, H.A. Катаева (Лощилова) // Естественные и технические науки. - 2010.- № 6(50). - С. 574577.

7. Численное моделирование лесного пожара в лесах Высокоборского лесничества Борского района нижегородской области / О.И. Рылкова, Л.Ю. Катаева, Д.А. Масленников, H.A. Романова (Лощилова), И.В. Рылков, A.A. Лощилов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - 8 с. URL: www.science-education.ru/113-11671 (дата обращения: 24.06.2014). Статьи в рецензируемых журналах и трудах конференций

8. Алгоритм решения обратной задачи определения термокинетических постоянных на основе модифицированного метода дихотомии / С.А. Лощилов, Л.Ю. Катаева, H.A. Романова (Лощилова) // Достижения и приложения современной информатики, математики и физики: Материалы Всероссийской научно-практич. заочной конф. - Нефтекамск, 2013. - С.41-43.

9. Влияние водного барьера на эффективность тушения лесного пожара / H.A. Романова (Лощилова), Д.А. Маслеников, И.Е. Белоцерковская, Л.Ю. Катаева // Инновации в науке. - 2013. - № 27. - С. 26-34.

10. Влияние интенсивности сброса воды на эффективность тушения лесного пожара / H.A. Романова (Лощилова), Д.А. Маслеников, Й.Ё. Белоцерковская, Л.Ю. Катаева// Инновации в науке. - 2013.- № 27. - С. 35-40.

11. Влияние рельефа местности и ветра на развитие лесного пожара / И.Е. Белоцерковская, Л.Ю. Катаева, H.A. Романова (Лощилова) [и др.] // Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира: материалы Междунар. студ. конф. - М.: РОАТ МИИТ, 2013.

12. Изучение влияния различной плотности растительности на аэродинамику в лесных массивах / A.B. Погодин, И.В. Беляев, H.A. Романова (Лощилова), Л.Ю. Катаева // Будущее технической науки: XIII междунар. молодежная научно-технич. конф. Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2014. - С. 485-486.

13. Использование высокопроизводительных вычислений при моделировании природных и техногенных катастроф. / Л.Ю. Катаева, H.A. Романова (Лощилова) // Суперкомпьютерные технологии и высокопроизводительные вычисления в образовании, науке и промышленности: материалы форума. - Н.Новгород, 2011. - С. 247.

14. Катаева, Л. Ю. Параллельное программирование: Учеб. пособие для студентов технических специальностей всех форм обучения / Л.Ю. Катаева, A.B. Романов, H.A. Романова (Лощилова). НГТУ им. Р. Е. Алексеева.-Нижний Новгород: НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2011. - 137 с.

15. Моделирование горения с использованием многопроцессорных систем / Л.Ю. Катаева, A.B. Романов, H.A. Романова (Лощилова) [и др.] // КОГРАФ-2010: материалы 20-й Юбилейной Международной научно - практич. конф. по графическим информационным технологиям и системам - Н.Новгород, 2010.

16. Моделирование распространения суммарного теплового потока при лесном пожаре на GPU кластере / А.О. Музыченко, Л.Ю. Катаева, H.A. Романова (Лощилова) [и др.] // Будущее технической науки: материалы XIII междунар. молодежной научно-технич. конф. - Нижний Новгород: НГТУ им P.E. Алексеева, 2014. - С. 482-483.

17. Моделирование тушения пожара потоком воды сверху / В.В. Нищенков, H.A. Романова (Лощилова), Д.А. Масленников, Л.Ю. Катаева [и др.] // Информационные системы и технологии: материалы XX междунар. научно -технич. конф,- Нижний Новгород, 2014. - С. 27.

18. Об особенностях моделирования тушения лесного пожара при помощи водной пушки / H.A. Романова (Лощилова), B.C. Бочков, Д.А. Масленников, Л.Ю. Катаева // Информационные системы и технологии: материалы XX междунар. научно-технич. конф. - Н.Новгород, 2014. - С.28.

19. Определение расхода воды, необходимого для тушения пожара / H.A. Романова (Лощилова), B.C. Бочков, Д.А. Масленников, Л.Ю. Катаева [и др.] // Информационные системы и технологии: материалы XX междунар. научно-технич. конф.- Н.Новгород, 2014. - С. 29.

20. Романова (Лощилова), H.A. Математическое моделирование динамической подачи воды в зону лесного пожара равномерно по всему фронту

// Перспективы развития науки; сб. ст. Международной научно-практич. конф. 20 марта 2014 г. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. - С.10-13.

21.Лощилова, II.А. Использование методов механики реагирующих сред для моделирования процесса тушения лесных пожаров стационарным и движущимся источником подачи воды / Н.А. Лощилова, А.А. Куркин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2014. № 3 (105). -С.37-48..

22. Система JIT (Just In Time) оптимизации для Python на базе OpenCL ядра / Л.Ю. Катаева, А.А. Лощилов, Н.А. Романова (Лощилова) [и др.] // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: материалы Всероссийской науч. конф. Томск (18 - 20 октября).-Томск, 2010.

23. Algorithms for calculating the radiant heat flux during forest fires / L.Yu. Kataeva, D.A. Maslennikov, I.E. Belotserkovskaya, A.A. Loshchilov , N.A. Romanova (Loschilova) [et al.] // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, July 1-4, 2013, St. Petersburg, Russia Published by the, Missoula, Montana, USA:International Association of Wildland Fire. 2013,- C.379-381. URL::http://ww\v.iawfonIine.org/4_Fire_Behavior_Fuels_Conference_Proceedings.p df (дата обращения: 24.06.2014).

24. The Impact of External Velocity Field on the Behavior of Landscape Fire / Liliya Kataeva, D.A.' Maslennikov, I.E. Belotserkovskaya, A.D. Postnov, N.A. Romanova (Loschilova) [et al.] // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, July 1-4, 2013, St. Petersburg, Russia, Missoula, Montana, USA: International Association of Wildland Fire. 2013. - C. 357-359. URL::http://vvww.iawfonline.org/4_Fire_Behavior_Fuels_Conference_Proceedings.p df (дата обращения: 24.06.2014).

Лощилова Наталья Алексеевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКА ВОДЫ НА ДИНАМИКУ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ УСПЕШНОЙ БОРЬБЫ С ПОЖАРАМИ

Автореферат

Подписано в печать 01.10.2014. Формат 60x68 1/16. Бумага офсетная.

_Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз._

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

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