Математическое моделирование возникновения массовых и верховых лесных пожаров с учетом радиационно-конвективного тепломассопереноса и двухтемпературности среды тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Р Г Б ОД

^ПХЗДАРСТВВДНЫИ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ШС1ШУ ОВРАЗОВАНИи 1 Б ОН.Т 1333 ТОЬЮКИй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСетет

На правах рукописи ПЕРШНОВ Валерий Афанасьевич

УДК 633.6.011.6

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МАССОВЫХ И ВЕРХОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЯАРОВ С УЧЕТОМ РАДИАШОННО-КОНВККТИВНОГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И ДВУХТЕИПЕРАТУРНОСТИ СРЕДЫ

(01.02.05 - механика гадкое та, газа н плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 1995

Работа выполнена на кефэдра физической механики механико-математического факультета Томского тхюударетаенного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор А.И.ГРИШИН

Официальные оппонента: доктор физико-математических наук, член - корреспондент РАН В.А.Левин

кандидат физико-математических наук, в.н.с. В.Г.Зверев

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН

Защита диссертации состоится -"'-"..•■•.••■•< 1995 г-

в_час- па заседании специализированного Совета К 063-53.10

в Томском государственном университете по адресу: 634010. г-Томск-Ю, пр.Ленина, 36, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета. .

г Г,

Автореферат разослан "¿о " ¿1 нУМ^ 1395 г.

Ученый секретарь специализированного

Совета, кандндат физико-математических

наук, доцвнт /7 С-П. Сшшцш

01ЭДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

A'^j/sHLрезультате лескчх иоашрон ьжигодци и ¡'•ii.iiH сгорнат Оальь Т млн. г« леса*'- Кця большьн wumwctho »(¡и ."Ш'М 11оВр0ВДа(;ТС>| н затем глбньТ НйИГ5оЛ£>К 0Ш*Ш>й Ь l-'.K а лесных пгж'цнч! инлииггси иьрхинык. на долю которых приходится 70 выгорев №Й ПЛЩЬДН н Ш1ИЯоЛЫ>1Ш» убытки. ИОКЫ'ШШЮВ ИНШННЧЬ К ДЛНН'Й HjXtn мш> чоусл чимы теки воздействием крупных лесных ножн|юв на Приземный OJ:i„| ;.'ТМОС;}«рН , ЧТО ВЫЗМИИВТ (СЛИМаТИЧЯСКИе (ИчНИЖЧНИН TftMJld pHTypU ОрОДЫ III СЧНТ ЗНДНМЖЧШ'.'СГИ ТеррИТОрНЯ НИДЬТ К ГЦrkfJIH ИЛИ

fcijhit и-однему вызреванию сельскохозяйственных культур) и а ко моги ческне последствия. Примером может служить образование зон горения радиусом и несколько километрн в результате взрывом сопроьоздт-¡;ухся MvJf'.nuMH потоками светового излучения (Тунгусский взрыв, взривы л!1*ко»)с'!ш1м(;!|ящих(:я жидкостей, НДер.'ше взрывы и т-д ). Лксперимемтальнио исследования леешх пожаров являются. как правило д')[101ч.ч:тоя1адми- н в некоторых случаях ripocro невозможными, is связи с зтим большое значение имоот математическое моделирование но-.иыкш женин и развития лесных пожаров*!

Цель работы состоит в постановке и теоретическом исследовании задач ш.[<(1Ходн низового лесного пожара в 1 -рховой при наличии и в отсутствии питра, я такжа возникновения массовых лосных пожаров под ВоЗДЬЯстнИВМ свотового излучения в результате природных и техноген-них катастроф с учетом двухтемнврятурносга средн.

Миъдоиш и<;у1."ЛгиУ!11йй- Исследование проводилось с помощью метода математического моделирования физических процессов. Он основывался на числи ином решении двумерных уравнений Рейнольде« для турбулентного течения с учетом уравнений диЭДузии для химичаских компонент''" л уриынвний сохранения .энергии для газовой и конденсированной Фаз. Для получения дискретных аналогов использовался метод |<ом{»ш.н:т> '. "л.ема**' Методики решения реализована в виде комплекса .^юграмм для персонального компьютера типа [ВМ. ЯНУ чная_ новизна работы состоит в следующем: I) С использованием общьй матвмнтичоекой модели лесных пожалив, в преднолчжиши осевой симметрии потока, представлена новая

Гришин A.M. Физика лесных пожаров.- Томск: Изд.-во ТРУ, 1994, -

ГХП о.

¡¡итлшшр О-В Чинлвшше метода ритония задач гаплооймеиа и динамки жидкости М- Онаргонтомиздат• 1981 Т52с

постановка налами о переходе низового лесн то пожара г» верховой в отсутствии нетра с учетом двухтемпературности среда и зависимости коэффициента ослабления излучения от концентрации частиц дымя

2) С использованием обдай математический модели лесных нижа -ров", в предположении бесконечной длины Фронта пожара, д.чна новчя постановка задачи о парохода низового лесного пожара в верхов'>й при наличии ветра в пологе леса (плоский случай) с учетом дмухтимперп турности среда и зависимости коэффициента ослабления излучения '>т концентрации частиц дыма

'М В рампах указа!1!шх вник постановок задач изучен процесс- по рехода низового лесного пожара в верховой на стадиях инертно;'" лр<> Гровя- сушки, пиролиза и воспламенения п{юдуктов ии]юлизя няпочвпч ного покрова и полога леса определены условии перехода

4)-Лина новая постановка задачи о зажигании лесного массива под воздействием светового излучения с учетом двухтемпературности ерг-дм в предположении осевой оичмотрии потока.

Ь) На основе анализа результатов ¡юлучетшх п<- двумерной о<-е симметричной модели зажигания лееннх массивов, ра.'рагчуганн более простое квазиоддомернно постановки лтой задачи дли изучения пронес г.а образования крунномчештабдах очагов лесных пожа[юп в результата техногенных (ядерный взрыв) и ггрир»>лных катастрх»}) (Тунгусский метеорит).

6) Исследован процесс образования больших очагов лесных нож;! ров под воздействием светового излучения при природных и техноген 1шх катастрофах для различных энергий и высот взрыва запасе-влагосодержания и кояф{гициента поглощения излучения лесных глрпчих материалов и особенности формирования течения на начальной стадии зажигания-

7) Исследованы режимы зажигания лесных горячих материалов при возникновении верховых и массовых лесных пожаров.

8) Разработаны методики численного решения задач о возникново нии верховых и массовых лесных 'пожаров в результате техногенных и природных катастроф.

Ценность работы для науки и практики состоит в следущем;

I) Показано, что понятия, методы и модели механики реагирущих многофазных сред могут быть успешно использованы для прогнозирования возникновения верховых и массовых лесных пожаров.

Гришин Д.М. Математические модели лееннх пожаров и новые способы С >рьбы с п7.ми. - Новосибирск: Наука. 40Я с.

Z) Предложенная в работе математическая модель перехода низового лесного пожара в верховой и результаты расчетов давт возмоа-ность оценить критическую высоту полога леса, что позволяет применять данную модель для противопожарного лесоустройства в хвойных лесах,

3) В результате сравнения расчетных данных с данными наблцдэ ний показано, что с помощь«) предложенной в работе математической постановки задачи зажигания лос!шх массивов от светового излучения удается предсказать масштабы массовых лесных пожаров и фэрму зон

« зажигания на подстилающей поверхности, воэнииащих в результате техногенных и природных катастроф.

4) Создан комплекс прикладных программ,который может использоваться для прогнозирования чрезвычайных ситуаций, связанных с лесными пожарами, который внедрен на кафедре физической механики ТГУ.

Апробация работы- Основные результаты по теш диссертационной работы докладывались на iv Всесоюзной конференции ' Радиационный теплообмен и технике и технологии (Каунас.1987). I и II Минских моадународйодных форумах по тепломассообмену (Минск. 1938 и 1Э92), XI Всесоюзной школе по численным методам механики вязкой жидкости (Свердловск. 1988). Соввщнкии по механике реагирущкх сред (Красноярск. 1988). iv и V Всесоюзных школах - сом.шарах "Современные проб лемы механики жидкости и газа (Иркутск, 1938 и 1900). Школе молодых ученых Числишше методы механики сплошной среды чАбакан. 1Э89>, IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву(Суздаль, 1989), III Все-соганоЯ школе Математические проблемы экологии (Чита. 1990). Все-союноЯ кп'.Ци¡.опция Метода математического моделироватая в задачах охраны окружающий среды и экологии1 (Новосибирск. 1991). Международной конференции Астероидная опасность'' (Ленинград. 1991). Все-сошном съезде механиков (Москва. 1991). Семинаре Предсказание а математическое моделирование катастрофических явлений и их последствий (Киев. Т991). Междуна(»дном форуме Информатика на службе экологии и здоровья (Тольятти, 1991). Совещаниях-семинарах по механике реагирундих сред (Междуреченск в 1986, Кемерово в 199(3 и Томск н и 1994). Международном семинаре по некоторым проблемам горении твердого топлива и химической газодинамике (Томск. 1992), Томской областной конференции по проблемам экологии (Томск. 1992). на научных семинарах к.чфедры физической механики 'ГГУ и отдала механики реагирующих срид 1ШНММ при ТГУ (Томский госуниворечтет. 1984-19У5),

Публикации. Основное содсржянии работы изложено в 19 научных

публикациях, список которых помещен в конце; автореферата

Структура и объем работы- Диссертация состоит из «ведения, чегырох глав, заключения и списка цитируемой литературы 189 наименований). Общий объем работа - 187 страниц машинописного текста.

Настоящая работа завершена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований(код проекта:93-013-17701)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

вводе)пга показана актуальность работы, определена цель и задачи исследования, дано краткое изложение диссертации по главам.

В первом разделе приводится обзор исследований по теме диссертации. Дается характеристика изучаемого объекта, обзор экспериментальных и теоретических исследований лесных пожаров. Анализируются работы посвя1ден)шо возникновению больших лесных пожаров, а тагако переходу низовых лесных пожаров в верховые Приводится экспериментальные данные по количеству энергии, которое необходимо для зажигания лесных горючих материалов в упомянутых выше '-лучиях.

В последнее громя в связи с оценкой экологических и климатических последствий сильных пожаров возникает вопрос о воздействии этих процессов на состояние приземного слоя атмосферы. В обзорной части данной диссертации, посвященной математическому моделирование лесных пожаров отмечается, что как правило при описании распростра нения горения ранее использовались упрощенные модели для исследования динамики течения и однотемпературное приближение*'. Процесс перехода низового лесного пожара в верховой изучался на стадиях инертного прогрева и сушки в осе симметричной постановке**'. При атом не учитывались химические реакции над очагом низового пожара, что не шзволялявт дать однозначного ответа о возможности зажигания полога леса. Обнаружено, что отсутствуют публикации по моделированию перо-хода низового лесного пожара в верховой с учетом влияния внешнего поля ветра-

Проблеме ма-ематического моделирования зажигания реагирувдих

Зверев В. Г. Математическое моделирование аэродинамики и тешго-массопоропоса при распространении вершинных лесных пожаров; Дисс. ... канд. физ- мат.наук. Томск. ТГУ. 1985-- 222с. ""'Фомин А-А. Структура течения и прогрев окружающей среды над локрлыым очагом лесного пожара> Дисс- . .. канд. физ. мат наук-Томск. ТГ.'\ 1989- - 221 с.

»¡¡«чисти при катастрофах носвящыю работа В.Л.Гоетминмш с соавтор« • ми. Н обзоре обращено внимание на то, что при численном моделирова нии зажигании от светового излучении ядерног. взрыва химические превращения .-чисиваотся некоторой одной лФ1ектипной реакцией. Поэтому такая постановка задачи не описывает реальных свойств конкретных реагирующих сред.

liliil!1.:-"!!.ШУЖУМ? в подразделе 2-1 приводится кован математическая постановка задачи перехода низового лесного пожара в верховой н отсутствии ветра Как правило верховой лесной пожар образует си в результате зажигания полога древостоя от очага низового лесного пожара Очаг представляет собой круглый источник тепла и массы Считается что: I) течение симметрично относительно вертикальной оси имеющей начало в центре очага горения и направленной вверх, ?,) течении носит развитый турбулентный характер и молвкуляргшм П"рен сом ао сравнению с турбулентным пренебрегаем, 3) плотность газовой фазы не зависит от давления из за малых скоростей течения по сравнению со скоростью звука, 4) полог леем предполагается переформируемой пористой средой, 5) ср'1да над очагом )газового лесного пожара считается двухтемчерагурной, т.к. различается температура газовой и конденсированной фазы.

Рассматривается так называемый ироду! .емый лесной массив, ког «а оОгечной долей конденсированной Фазы льошх горцчих материалов (ДГМ). состояцей из сухого органического вещества, воды в жидко каинлык.'М состоянии и налы, можно пренебречь по сравнетш с объемной долей газовой фазы вклычавцой в себя компоненты воздуха и газообразные продукты пиролиза и горения Для описания переноса энер t'iiH излучением применяется диффузионное приближение, а для моделирования турбулентного свободно - конвективного переноса, обусловленного действием силы тяжести, используются уравнения Рейнольдса

Считается, что скорость ветра в рассматриваемой области лесно iv массива ма1 i по сравнению со скоростью подтема нагретых газооб разных п(юдуктов i\'рения и притоком в зону горения окружающего воздуха. Это позволяет рассматривать задачу в осесимметричной постановке. которая в цилиндрической системе коортенат сводится к jifiiiiemiu следующей системы уравнений при < -I.-

"'Гостинцев H.A., Махниладзе Г.М.. Новожилов В.Б. Формирование бопьаого ц-жара, вызванного излучением//Известия РАН, ШСГ.-19Э2.-rfl. V..17 2Г).

Op.

1 б , « . в

err * + ТЗЁМ = V

(I)

тМ * (-4**) 4M = - э? + гаК^'1) +

б #■ ч IÖ ,» ,3, г, 0Р 1 0 , П

0t(p»") + ) = - 3Î + p'v w

HtCW) + + kpvV)-

+ ¿k(-*vc:) + lr>)

я n du л Ou

a?") * kik я?) - - (6)

От, ■ . '

¿f^SiÏÏT = "A - «Л + "S[CU" * + A4T - T«)' (7)

„ flp. „ Op, „ ÖP. M

= • - . РЪг = 'Л - «4 • p«!r = k= « • . <s>

a= 1

Д с и

p. = • A = «,-'.)R.+Bi+ ЙЧ 4R«+v = -

osi "

В ТВ

С Ы о.и

«з= -¿г ) Нг; т г«]

Начальные и граничные условия для системы уравнений (1)-(Э) имеют следующий вид

(Ш)

0. ,, &г ас- ах1-

г = О: ^0. д^О. Д±=0, (П)

<Ь „ А. „ Л „ ^ Л О <4 о..

- = а?-0- 0?=°- ОТ 3= ЭГ ♦ IV0- (12>

. ¿с

Е = го: Ч") = ЧЯ' - РЭП,гПГ *Р»Са = ЬоП3а-

(Т I- (Т.-Т )ехр1 (Г/Л) ) .,

о о (13)

его-т„ )в*р(- >/й) ).

<?и

- э*г от = - си»)-

<3 «■ _ Л» ЙТ - _ о о., / х..

г -г — ,0 . -- _-0. — —О, =о . ~ д— , -и. .0. (14)

От. <Эг дг. Ог.

Здесь и выше г и * - координаты. - отсчитывается от наноч--ьеншго покрова, а г от оси симметрии; н-и, массовые скорости пиролиза лесных горших материалов, испарения влаги, горения конденсированных и летучих продуктов пиролиза и образовании о - комш.> нлнтав газодисперсной фазы; Ср,.*>.»>- удельные теплоемкости, испитые плотности и объемные доли .-ой фазы (I - сухое органическое вещество, 2 - иода в жидко - капельном состоянии, 3 - конденсированные продукты пиролиза. 4 - ^ола (минеральная часть продуктов па ролизя). й - газовая фаза); т, т - температура газовой и конденса (/■ванной фаз; С - массовые концентрации (<<=1- кислород, 2 - СО, 3 ■ саам, 4 - пепел, 5 - инертные компопепты); Р - давления; иж- плот ность аниргин излучения; <-- - постоянна л Стерна - Вольцмана; а -кчзффмциинт ослабления излучения, «д, «>- коа;Г'щщюнти поглощения излучения и газовой и ковдвнащювшшой фазах соответственно; , и . к тешютш аффекты. анергии активации л ирпдпкспоишт! ропн-

а --а К . я о а 1

Г = О; У;=0, Т^Т , С -С . Т =.-Т .»>=»>.

• а а» 3 I I»

ций пщюлиза, испарения, горении кокса и латучих щюдуктов пироли-SQ: а^ - удельная поверхность элемента лос;гах горючих материалов;

ы . н - молекулярные веса индивидуальных компонентов газовой фазы, углерода и воздушной смеси; с - удильная поверхность фи-томасси и эмпирический коаЭДмцяент сопротивления полога леса; с -скорость света; v. * - проекции скорости на оси г и г,; «с .»• - коксовое число и массовая доля горючих газов в массе летучи продуктов пиролиза; ш - кассовая скорость образования газодисперсной фазы-, в

- ускорение свободного падения; t - время образования очага низового .г-осного пожара, л - ширина его фронта, а расстояние до центра фронта определяется по формуле rf= «>u-t0)(n> - скорость распростря-нения (¡рента низового пожара); m - осредпшшоя по высоте напочвен ного iwitfxjna ho скорость мессовиделения газодисперсной смеси из напочвенного покрова. Индексы "о" и "е- относятся к значениям функций в очаге горения и на большом расстоянии от зоны пожара соответственно. Верхний индекс относится к пульсациошюй составляющей данной величины. Система уравнения (I) - (14) описывает процессы переноса в области лесного массива, который включает в себя пространство между подстилающей поверхностью (уровень шероховатости) и нижней границей полога леса (в этой области коэффициент к( -О), полит леса(ь>< z < h2. кр=1) и пространство над полотом леса.

Компоненты тензора турбулентных напряжений, турбулентные потр ки тепла и массы записываются через градиента среднего течения. Используется локально - равновесная модель турбулентности*'.

Коэффициент теплообмена фаз выбирался на осново данных по теплообмену между элементом лесного горючего материала (хвоинка, тонкая веточке) и окружающей средой: дк-¿в —,cpm(J - коэффициент теплообмена для хвоинки <f=Hu\/d, где а - диаметр элемента лестлх горючих материалов, х --коэффициент теплопроводности, Nu - число Нуссельта для хвоинки, .7 - параметр, характеризущий отношение молекулярных масс газа в окружающей среде и выдуваемого в процессе теплообмена).

На основе изложенной математической модели (Ю-(14) проводились численные расчеты по определении картинн процесса зажигания полога леса от очага низового .йбсного пожара. На рис.1а)(1 - т, 2

- та), б) (I - с1, 2 - с^) ив) (I - ¡¡»,, 2 - 3 - приведено

Гришин A.U.. Грузин А.Д.. Зверев В.Г. Нвтвматическая теория верховых лесных похаров//Теплофиэикв лесных пожаров.- Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1984.-С.38-75.

распределение основных функций на нижней границ;» полога леса. Здесь и ниже: c^two^, =Vi^ и t =t/to (т^-<ЗООК, с><(Л).23).

В результате п[югрева ЛГМ в напочвенном покрове происходит испарение влаги и разложение сухого органического вещества с видела -нием газообразных и конденсированных продуктов пиролиза, которые затем воспламеняются в пространств между пологом леса и напочвенным покровом. При этом щюисходит гцюгрев ЛГИ полога леса, из которых выделяется влага, газообразные летучие щюдукти пиртлиза. После воспламенения в очаге низового лесного пожара происходит зажигание полога леса. На рис Л б) прослчзгивайтся два максимума выделения газообразных н|х>дуктов пиролиза. Причем первый заверяется воспламе нением напочветюго покрова, a RTopofl полога леса. На рис.1 в) приводе но изменение обгемннх долей фаз полога леса в точке его зажигания. Из приведенных результатов следует, что пламя очага низового лесного пожара касается полога леса.

Данный процесс сопровождается образованием термина - объема нагретых газообразных продуктов горения, всплнващих в атмосфере. На рис.2 представлено распределение изотерм газовой фазы и вектор ной поле течения в момент зажигания(1 - "¿--2, 2 - rJ., 3 - т=5.).

В процессе численник расчетов изучалось влияние различных фак торов на процесс перехода низового лесноп пожара в верховой(время формирования очага низового лесного пожара to, запаса ЛГМ в напочвенном покрова, влагосодержания Л П.! полога леса). Установлено, что для данных типичных параметров соснового леса существуют некоторые критические расстояния от напочвенного покрова до полога леса, на которых происходит зажиганий. Кроме того для ид наряду с граничным условием (13) в расчетах использовалось граничное условна получен нов на основе метода сферических гармоник, содержащее коэффициент степени чернота очага горения. Расчеты показали, что его значение мозат изменяться в irpouecce горв!шя от 0 до I, что свидетельствует п необходимое'!"! использования соотношения из (13).

В подразделе 2.2 приводится физико-математическая постановка задачи о nef»хода низового лесного пожара н верховой с учетом вэт ро. Предполагается. что фронт низового леспого пожара, имеет копач ную ширину и достаточно большую длину, которую ».южно считать беско печной. Дополнительно к предположениям изложенным н разделе 3.1 считается, что известна скорость ветра над по. гом леса. Как и в первой задаче доя описания конвективного перенося, обусловленного действием силы тяжюти. используются уравнении РоЯнольдса. а для

гю[*-н-н:н ЯН^рГИИ ИиЛуЧОНИНМ - ДИ'И'УЗИОННОИ приближение. О ЧЯГ НИЗ"-

(г>г'> лесного пожара расположен на высоте у[ювня шероховатости и н"нтр() рассматриваемой области. Ось к - направлена вверх, n хt из-рчллнлыю земной поверхности. Сформулированная выше задача сводится к рнтншп системы уравнений (I) - (9) при п-0 и граничных условий (И!) (14) в случае отсутствия внтрв. Координатам г.г. и компонентам ск''[«сти т.я - соответствуют декартовы ко>рдинаты * , *2 и компонен ты n<oj>oc,TH V ; V;>.

Мри наличии ветра картина пр<цесса не симметрична относительна плоек-чти. проходящей -че{«з середину очага низового лесного пожара и поэтому необходимо дополнительно рассматривать в горизонтальном направлении область, включающую в себя пространство слева с навет репкой стороны от очага горения. Значение скорости ветра на откры той местности v задавалась па фикси|ювантй высоте над пологом леса. Вместо условий (II) задаются граничные условия

üu

ж =- О: V =V U. ). ▼ =0, Т-Т . С =С . - л— ..V. =0, (15) I t * г ж • а а» 3* uxt S "

Ha основе изложенной вайе фитзико - математической модели проводились численные расчеты по определению развития процесса от М" манта инициирования до зажигания полога леса. В этом случае проис -ходит взаимодействие поля • атра с газоструйным пронят твием, обра зуицимся от очага низового лесного пожара и загоревшейся нижний гр ницей полога леса. За зоной тепломассовыделения образуется рециркуляционное течение, а с наветренной стороны происходит ускорп пае движения воздуха, обтекяодего область зажигания (см. рис.3) (1 - т = 2., 2-т = 3.,3-т = 5.). Под влиянием ветра деформируется распределение изотерм газовой фазы. Анализ процесса зажигания поло га леса от очага низового лесного пожара показывает, что с уволичр -кием скорости ветра уменьшается расстояние до полога леса, на котором происходит переход. Это связано с тем, что под влиянием ветра увеличивается угол отклонения племени очага низового пожара т вертикальной оси. В рез-яьтате итого наиболее интенсивному поогреву подверх'аются точки полога леса смещенные по направлению ветра от центра очага низового лесного пожара. Полученные в рягю тах значения углов наклона пламени достаточно хорошо согласуттсл г ■> значениями, которые описываются с помощью аналитической Формулы*' .

Albini F.A. Physical mode) for f lt^spreaH In br»nh<7 11 lr>!.. Bywposlum r>n Combustion.- Pittsburgh, .1967. -P.5S3 fjPi).

гэ

яким образом уменьшается максимальная высота полога леса, на , оторой пламя может его касаться, а следовательно и зажигать.

В третьем разделе представлены результата математического мо-делироваиия возникновения больших пожаров под воздействием светопо •о излучения. Рассматривается задача о начальном этапе воздействия шсотного источника лучистой энергии на подстилающую поверхность *емли покрытую лесной растительностью. Иэлыо данного исследования тляотся определение размеров зон зажигания и изучение $изико - хи ических процессов протекающих там. Кроме того на основе известил 13 литературы результатов воздействия на лесные массивы взрыва неясного тела, получившего название Тунгусского метеорита, оценивался его мощность. плотность потока лучистой энергии qr(г,t) «п-троксимировала по литературшм данным*'.

При поступление лучистой энергии в растительный покров (во<е<ы iponeco зажигания происходит по указанной выше схеме. Под действием :илн тяжести нагретые газообразные продукты начинают всплывать. Поэтому процессы зажигания лесной растительности оказываются в общем случае связаны с гидродинамикой течения, 'Гвким образом под действи зм источника излучения формируется зона зажигания радиусом г..

В рамках настоящего исследования считалось, что скорость > зтрр п атмосфере мало влияет на процесс зажигания, так как тепловая оно -ргия в осповном переносится излучением. Это позволило рассматривать задачу в ососимметричной постановка. Описание процесса зажигания лесного массива проводилось на различных уровнях сложности постановки задачи. Сформулированная задача в цилиндрической системе координат сводится к решению уравнений (1)-(9). На тошней и верхней границе расчетной области, вмесо (13)-(14) используются грашгпвдв условия в виде:

/V Ос 0и

«.= -=о. Ш ъг - - h иг f 1и. « <16)

л я я— ОС 0U

0V On _ ОТ _ а о Я С„ _ О , .. !ХП\

Гвзультятн расчетов. приведенные в 3-1, показали, что иаксимаяьнмЯ н]у>17)ев наблюдается в центральной части(см.рис.4). Здесь гтроясхоwt всплытие масс нагретых газов за счет действия ярхимэдовой силн. Следует отметить, что скорость воздуха обусловлена подсосом н яяп-

Лрйствио ядерного оружия пер. с англ. под ред. П-С.Дмятряопя. М.:рог-низдчт, TW-5.

и

р«шши& с иори'урш к цен фу оОласги зажигания- Эга скорюсть на момент воспламенения н« велика и для рассматриваемых времен на про ни -ша; 1 0.1> м с (и -20 кг). Неразрывно связано с процессом зажигания распределение массовых концентраций кислорода и горичих летучих продуктов пиролиза. Наиболее представительным из них является оксид углерода (см-рис.Ь), который расходуется в процессе горения В цен тральной части рассматриваемой области происходит выгорание СО и связанное с этим уменьшение количества кислорода. Любопытная картина наблюдается ¡г граница зоны зажигания(см. рис.5), где имеется немонотонность в распределении СО. Это объясняется тем, ¡то на данный момент времени на дашюм рь стоянии расположен фронт зажига чал, который перемещается от эшщентра. Следует отметить- что про цесс зажигания, кок а в случае переходы низового лесного пожара в верховой, носит газофазный характер.

В подразделе 3-2 предполагается. что горизонтальная составляв щая скорости ветра в пологе леса мало влилат на процесс зажигания Ото допущение справедливо, так как лучистый тепловой поток значительно больше конвективного• По этой причине считаем процесс 1шн:>.( одномерным, то есть предполагаем, что все параметры зависит от нрп мыш г и вертикальной координаты а- Результаты численного, моделиро вания показывают, что отличие размеров зон зажигания по обеим нес тацовкам не превышает 5%. Поэтому, с точки зрения экономии времени ЭВМ. более целесообразно использовать упрощенную математическую постановку для определения размеров зон зажигания- Расчеты проводи лись для зажигании лесных массивов сштоеым излуч нием. выделившим ся при взрыве тела, получившего название Тунгусского метеорита Кя. указано выше,.в расчетах для описания величины ц(г.:) использсва лись литературные данные. Однако согласно окопьримонталышм исследованиям, в отличии от действия ядерного взрыва, при Т/и 'усскпм взрыве на дола световой энергии приходится но 30%, а лшь 10$ *'. ¡; 3.2.2 приведены результаты математического моделирования ь квазн-одномврном приближении. Расчеты показали, что максимальный размер зоны зажигания, согласно литературным данным"', достигается при энергии взрыва и - 2Ь Мт. В 3.2.3 приведены ризультати расчетов а-однотешюратурной модели, котор т получается из системы урннн-ний (I)-(Э) при А Сравнение результатов подучошшх по этим дчум м;> далям показали, что отличие размерив зон зажигания пршшшаит И) '•• Если ввести понятие ожога деревьев как степень ниролшп ( 20 '- от

*' Врчштзп В.А. Физика метеорных явлений. М.гНаука, . зи)с.

начальной объемной доли ЛШ), то численные расчеты по двухтемпара-турной модели тюкан.чли, что данное имение имеет место па расстоянии около 16 км. Там происходит прогрет, испарение влаги и процесс пиролиза ЛШ без их воспламенения, что согласуется с эксперимеН-талышми данными*Таким образом, двухтемпературная модель, в отличии от однотемпературной, позволяет изучать такое явление как ожог деревьев.

В рамках данной постановки удается получить максимальный радиус зажигания. В то время как из результатов экспериментальных исследований*' Тунгусского метеорита следует, что форма контура зоны зажигания напоминает эллипс, вытянутой по направлении проекции траектории движения данного иаОиснаго тола. Очевидно ото обусловлено воздействием потока теплового излучения на подстилающую поверхность при полете данного объекта до момента ого взрыва. В раздела 3.3 1гриведенн результаты численных расчетов воздействия потока све тового излучения на полог леса на стадии полета и взрыва Тунгусского метеорита. Плотность лучистого теплового потока на стадии полета определялась согласно литературным данным"Параметрический анализ показал, что наилучшее согласованно расчетных и экспериментальных результатов по форме и размерам зон зпжигзния имеет место при энергии взрыва составляющей ШХ от полной (кинетической и тепловой) энергии данного небесного тела. На рис.6 приведены результаты расчетов максимальных размеров контуров зажигания для различных пор д деревьев(I - соспв, 2 - лиственница и 3 - береза)

Четвертый раздел посвящен вопросам числшшого решения задач, изложенных в разделах 2-3. В подразделе 1.1 приведен способ получения дискретного аналога для типг шого нелинейного нестационарного двумерного дифференциального уравнения в частных производных параболического типа с граничными условиями третьего рода па основа ют-тода контрольного о От .ома. Его основная идол поддается прямой физической интерпретации. Расчетная область разби-пется па некоторое число напвресекящихся контрольных объемов так. что каждая узловая точка содержится в одном контрольном объеме. Дифференцнальшо урчв иония интегрируется по каждому контрольному обточу. Для вычисления интегралов используггся кусочно - гладкие профили, которые описывают пзмрнатю Ф между узловыми точками. Полученный таким образе*

Коробейников 8.11., Чутякип П.И., Шуртялов Л.В. Комплексное моделн-рогшт« яолктч и взрыв в атмосфера матоорпого твла//АптропомтчоскяЯ вестготе,- №1,- т.?,5.- т.- С.327-343.

дискретный аналог выралает закон сохранения Ф для конечного контрольного объема точно также. как дифференциальное уравнение виража ет Ш)Н сохранения для бесконечно малого контрольного объема. В синаи с тем. что при расчете ноля давления возникают трудности, обусловленные Iнишчним первых производных- входящих в конвективные члени, и градиента давления, используются шахматные сетки для ком

попоит скорости- Для того, чтобы поле скорости удовлетворяло у рай

»>

уравнению неразрывности. использовался алгоритм зшрьк .

В результате дискретизации дифференциальной задачи получайся системы сеточных уравнений для каждого дифференциального уравнения Матрица каждой из систем является нятидиагональной. Для разрешения полученных систем алгебраических уравнений используется метод аз г*! Применялось расщепление но физическим процессам, то есть вначале рассчитывалась гидродинамическая картина, а затем решались уравне нил химической кинетики и учитшиысь источники, возникающие вслед ствие химических реакция. для скалярных функций (С^.Т).

Дли проверки правильности работы програимы в качестьо тестовой решалась задача о ламинарном точении вязкой тенловыделящей жидкое та в прямоугольном колене. Ее особенностью является наличии точное аналитического решения, что позволяет оценить полученное численное решение- В результате расчетов по описанной выше методике получены пода температур и векторше тюля скорости. Результаты представлены в виде таблиц- Из анализа подученных данных следует- что отличие аналитического и численного результатов составляют менее I*. Кромо того для оценки точности дискретных аналогов и ир зорки щхн'раммы использовался метод априори задаваемых аналитических решений. Точность восстановления решений состовляла не менее О.Ы.

ВЫВОДЫ

I. На основе общей математической модели тиирии лв.паи ноля р* л даны ноше постановки задач перехода аюового лесного гюжар» и в»р ховой без учета (осесимметричшй случай) и с учсломщьоский случай внешнего поля ветра и зажигания лесных массивов от свичмвнч излуч ния в результате техногенных и с-олкновитвлыок к<тютр(4' с вс^ст ми телами типа Тунгусского метеорита. .Учитывается туроулшпчг -.п у чэний. двухтемпературность среды и основные физшы химически» проно

" Андерсон Д., Тшшехилл Дж., Шетчер Р. Вычислительная Iидромихн НИКН Й ТЯЛЛообМЬ'Н.']', I - М.Г Мяр, 19У(]. - 726 С.

I (супк.ч и чир >лиз летних горячлх материалов. химический реакции го -мгач газообразных и догорания к-чщвнсированннх продуктов пиролиза).

2 На основе метода коптильного объема разработана методика пленного решения «диомерти и двумерных нестационарных уряшМний "¡ории лесных пожаров.

3 Анализ результатов ''поденного решения задачи о переходе ни-4 но го лесного пожара п верховод показал что имеют место следующие гядии ^т'то пр несся: прогрев напочвенного покрова и полога леса, 'ц:.чз'.'В.чние газообразных продуктов ииролиза нппочттюго покрова,

I П'ч'нламененж', образование газ(ч>бразгшх продуктов пиролиза поло ■з леса и их зажигание.

4- С помощьп руления двумерных нестационарных уравнений Рь»1-мьдга изучено взаимодействие внешнего Ноля точения с очагом гора-ия при переходе низового лесного пожара в верховой- Установлено, то с ростом скорости ветра увеличивается угол наклона пламони и эжигяниа полог-', леса осуществляется на меньших расстояниях от уточненного покрова.

5. В результате решения задачи конвективно - радиационного еплообмэна показано, что коэффициент степени черноты заранее неиз-четная Функция времени, которая изменяется в пределах 0<£<1. : >-тому целесообразно использовать сопряженную постановку задачи о ероходо низового пожара в верховой.

Г> Получено, что при воздействии очага низового лесного позгря а полог леса переход в верховой лесной пожар имеет место при вне.о е нижней гратщы кроны над нодстилатцой поверхностью около 0.7 м. оличество энергии, сообщенное при этом пологу леса на превышает 600 кДж/м2, что подтверждается ч экспериментальными данными. Для аяболее характерных данных. опиенвакиих роакционннв и еплофазнческие свойства сосновых фитоценозов получены копкретянп пачения времен и предельные высоты зажигания полога леса.

7. Показано, что математическое моделирование перехода низов" о лесного пожара в верховой без учета ■двухтвмпэрятурностч среды риводит к уменьшении высоты полога леса, на которой возможно ут*? осплячонениэ на 44%.

в. Установлено что при переходе газового лесного поглрп в орховой и вооплемонепии лести массивов под воздействием гвег>н ;>лучения змжит'ппип ляст« горючих материалов носит гяэтфэзнма и-пктгр

Дчт» новые физдко-чятемятичеокие постановки задач задягаяня

л>н них массивов в результате техногенных и природных (етолкновитель них) катастроф, учичиващах воздействие светового излучения небес-

¡Г''1) тела на полог леса при его полет в атмосфере.

1С Математическое моделирование процесса зажигания лесных мае-<-липЬ иод воздействием светового излучешн показало, что в зависимости от расстояния между источником анергии и пологом леса реали зуитон три режима зажигания- вырожденный, нормальный и неносшшме -не ни о

II- !Ш1 определения максимальных размеров зоны зажигания лесниа массивов от светового излучения предложена упрощенная кг глиодномер ь..я двухтемпературш-ш постановка При этом учитывалось, что лучистый тепловой поток значительно превышает конвективный. Результаты расчетов размеров зон зажигания с точностью до 5% хорошо ооглнеуют ся с результатами полученными но более точной двумерной огооиммет-ричной постановке.

12. В результате численных экспериментов установлено, что на 4<;рму контура зоны зажигания существенное влияние оказывает трае.ч тория полета небесного тела и доля кинетической энергии набегании > потока, превращающейся в световое излучение Сн, а площадь зоны зажигания зависит от полной энергии небесного тела К, Сн и от отношения энергии взрыва к полной энергии « . В частности показано, ч'ь. Форму зоны зажигания для Тунгусского метеорита можно представить 1. виде овала, вытянутого вдоль проекции траектории прилета небесной' тела на подстилающую поверхность.

13. Показано, что в рамках предложенной матегчтической модели удается получить не только качественное, но и количественное оог.нч сование формы и размеров контура с известными дынными наблвдеиий при Е=101ОДж, Ео=10,оДж и Сн=0.1.

14. В результате математического моделирования уста- ,-шюно что для различных древостоев размеры зон зажигания- при прочих ран ных условиях, в порядке убывания располагаются следующим образом-сосновый, лиственничный и березовый лес. Минимальное время анжага ния реализуется для соснового, а максимальное для бьразового леса.

15. На основе результатов численных расчетов .¡мзшю химичьс ких процессов в зоне зажигания о-» Тунгусского метиоритп прои:-'_-до на оценка усиления действия ударной вешш на лесной массив. Унч-шо иле но, что до '¿(У регистрируемой энергии взрыва может обеспечивать сн в результате детонации летучих горючих продуктов пиролиза которые образуйся в полого леса к моменту нрих'-дч удар>к й волны.

\чким образом при оценка общей анергии взрыва Тунгусского метеорита ю действии ударной волны на лесной массив необходимо также учиты-•ать ее взаимодействие с газообразными продуктами пиролиза ЛГМ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: I. Гришин Л-М-. Нерминов В-А.О влиянии излучения на воснламо-1ение и горение лесных горючих материалов//Радиациошшй теплообмен i ToxmtKe и технологии (Тезисы докладов vt Всесоюзной няучно-техни-[еской конкуренции)- -Каунас: МТГО АН Лит-ССР. 198*7. - С.145-146.

:: Гришин А-М.. Перминов В-А- Влияние сложного радиационно -:о1шактипного теплообмена на переход низового лесного пожара в вер :овой//Тепломассобм"Н (Тезисы докладов 1 Минского международного фо-|ума) -Минск. ИТМО АН БССР. 1988 - -С. 47-49

3 Гришин A.M., Перминов В-А- О зажигании полога леса от очага отзовго лесного пожара//Совощянио~семинвр по механике реагирующих :ред(Тезисы докладов краевого сове-дяния). - Красноярск: СТИ- 1908.1.126-127

4. Гришин A.M.. Перминов В А- Математическое моделирование подхода низового лесного пожара в верховой//Совреме!ШЫЭ проблемы мэ-пники жидкости и газа (Тезисы докладов . . Вшсоюрной школы- сомипа-ia).- Иркутск^ ВЦ СО АН COCI'. И«« -С J.3b.

Б- Перминов В.А.. Шииулиия О-В- Численное моделирование взаи-¡одействия полога леса с очагсм горе!гия//4ислошмо методы мох am' и плотной срода (Тезисы докладов Школы молодых учета). - Красноярск; ;ц СО АН СССР . 1989. -С. 35-366. Гришин A.M.. Перминов В-А- О переходе низового лесного по-:ара в верховой//Пожаро- и взрн» ^безопасность. Экологические пробами горошш (Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горопию и взрн-у). - Черноголовка; ИХФ АН СССР. 1989--0.104-107.

7. Перминов В-А. О зажигании полога леса от очага низового ясного пожара// Теплофизика и гидродинамика -ахпологяческих провесов. - Томск: ТПИ. 1990.-С.98-104.

8- Пермююв В-А-. Шинулина О.В. О численном решении лакоторих адач математической теории лесных пожаров//Физичес.кая гвзояинвми -а в реагирующих средах. -Новосибирск: Наука. 1990. -С. 158-169.

9 Гриаин AM-. Перминов ПА- Переход низового лесного пожара пп{порой//<Г'ГВ.- НЛЮ.~ Т.26.- т. С.27 -35.

Тп. Ппрминпв В А. Математические мл дпли{у> валив зажигания полога •><*п г7 •• 'ijvar'i -шкг.чу'ГО лесного по*яре//Мят»»»атпчскив про»)лг-мм

акилогиа('1'оадси докл >.%>и Ш Веасошной шшлы). - Чита: Читшоки; институт при|К1Д1ШХ ресурсов СО АН СССР, IbiO -С.14Я-150.

П- Перминов В-А Математическое ¡., 'Двлированиа перехода низового лесного пожара в верховод с учетом экспериментальных дашшх //Современные щюбльми механики жидкости и газа (Тезисы докладов ■•■ Всесоюзной школы - семинара). - Иркутск: ВЦ СО М СССР. 1990. ■• 0.322а-3226-

12- Гришин А-И , Перминов В-А- Математическое моделщхлвание лесных иожаров/Л' тода математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологйиП'езисы докладов Всесокх ной koh4»i реищш).- Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1991. С.8-9-

13- Гришин A.M., Пермшюв В-А- Радиационный и сложный теплооб мен при возникновении и распространении верховых лесных пожаров// Тепломассообмен. Радиационный и комбинированный тошяюбмон (Матер; ояы II Минского международного f чрума). - Минск-- AiiK ИТМО им-Лыко-па- АКБ, 1992. -0-82-88.

14. Griahln А.И. , Permlnov V.A. Application of modified iil,jvt 1 tui-bulent model ior numerical soJutlon of acrue ¡14,! I t .r о Г it. х-ез t Cire/ZInternatlcnal workshop cm «elected probltraiij оI anlbl px'opell&nt combustion and chemical gasodyriamica. - Torouk: t -P.18-19.

15- Гришин A.-M-. Перминов В. А. Математическое моделирование зь&лсвнля полога леса от Тунгусского метеорита//Известия СО РАН Сибирский физико-технический журнал. - 1992.- Ji 6- -С. Г12-117.

16. Гришин A.M., Перминов В. А. О зажигании л а !шх массив >н в результате взрыва Тунгусского метегг>ата//ФГВ.- 1 993. -Т.29.- т. С.8-14.

17. Гришин A.M., Перминов В.А. Математическое моделирование состояния лесных фитоценозов в условиях природных и ант[ «югецни катастроф// Математическое моделировании. - и.: Изд.-во ЦРУ, ГШ C.J67-I8b.

18. Перминов В.А- Методика численного решения задачи о зажлч-шш лесных горючих материалов в районе падения чуагусского моги..| та//Сл)щтх^ашь задачи физической механики и эк-- л «-«»КТезасц д ни до» международной научной конференции).- Томск: РЛО Томского госушшореитота, 1994. -C.I34-I3S.

19. Гришин A.M., Перминов В.А. Зажигание шшл-н хвеи oi иЧ&п !i.!3',iB!'i4) лесного пожара//Химическая физика,- 1994. т. 13.- Ж) 4.

Рис. 2

Рис. 3

г£о зм гл? ъ,м Рис.4.

и

ь

4

с

7

/-V

# г- сл*оо!

5 - д./Шл

Л Ъ

С,е - ¿¿Д

.ш

ШР Рис,В.

г.'

/ / / г

\ ^ \ \ \ «г у }£,

■ОС, км

Рис.6.

Зака! Тираж /00 эк у

{'ИО ТГУ , Томск, 29, НнкишнМ /

Г/