Влияние интенсивности сброса воды на эффективность

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ СБРОСА ВОДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ТУШЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА
Романова Наталья Алексеевна
ассистент Нижегородского государственного технического университета им.
Р.Е. Алексеева, РФ, г. Нижний Новгород
E-mail: kataeva-nataly@yandex.ru
Маслеников Дмитрий Александрович
ассистент, канд. физ.-мат. наук Нижегородского государственного
технического университета им. Р.Е. Алексеева, РФ, г. Нижний Новгород
E-mail: dmitrymaslennikov@rambler.ru
Белоцерковская Ирина Ефимовна
ассистент Нижегородского государственного технического университета им.
Р.Е. Алексеева, РФ, г. Нижний Новгород
E-mail: miran_kaspir@mail.ru
Катаева Лилия Юрьевна
д-р физ.-мат. наук, профессор Нижегородского государственного
технического университета им. Р.Е. Алексеева, РФ, г. Нижний Новгород,
профессор Нижегородского Филиала Московского государственного
университета путей сообщения, РФ, г. Нижний Новгород
E-mail: kataeval2010@mail.ru
IMPACT INTENSITY DISCHARGE ON THE EFFICIENCY OF FOREST
FIRE EXTINGUISHING
Nataly Romanova
assistant, Nizhny Novgorod State Technical University. R.E. Alekseev, Russia Nizhny
Novgorod
Dmitriy Maslennikov
assistant, PhD. Physics and Mathematics Nizhny Novgorod State Technical
University. R.E lekseev, Russia Nizhny Novgorod
Irina Belocerkovskay
assistant, Nizhny Novgorod State Technical University. R.E. Alekseev, Russia Nizhny
Novgorod
Liliy Kataeva
doctor of Physics and Mathematics, Professor, of Nizhny Novgorod State Technical
University. R.E. Alekseev, Russia Nizhny Novgorod
АННОТАЦИЯ
В работе исследуется взаимодействия капель воды с лесным пожаром на
основе математической модели [2], [4], [6]. Для решения дифференциальных
уравнений в частных производных, составляющих математическую модель,
использовалась схема Харлоу [3], [7], [8]. Показано влияние интенсивности
сброса воды на эффективность его тушения. Количество сбрасываемой воды,
требуемой для тушения, связано с очагом пожара и временем начала сброса.
ABSTRACT
This paper investigates the interaction of water droplets with a forest fire on the
basis of the physical model [2], [4], [6]. For solving differential equations in partial
derivatives of the components of a mathematical model was used scheme
Harlow [3], [7], [8]. Shows the effect of rate of discharge of water on the
effectiveness of its extinguishing. The number of discharged water required for fire,
connected with the hearth fire and starting time of the reset.
Ключевые слова: математическое моделирование; лесные пожары;
тушение.
Keywords: mathematical modeling; forest fires; extinguishing.
Основным огнетушащим веществом охлаждения является вода, к её
достоинствам относят дешевизну и доступность. Для тушения пожаров на
больших площадях рационально использовать пожарные самолеты или
вертолеты, а также возможно искусственное вызывание осадков из облаков. В
настоящей работе рассматривается задача о взаимодействии лесного пожара с
потоком
воды
заданной
интенсивности,
стекающей
сверху [1], [5].
Интенсивность потока определяется высотой водного столба за единицу
времени wd. Иными словами, через каждое достаточно малое сечение
горизонтальной плоскости ∆S каждый малый отрезок времени ∆t протекает
объём воды равный ∆t ∆S w d . Предполагалось, что вода, попавшая в среду с
температурой
выше
373 К,
преобразуется
в
водяной
пар,
поглощая
необходимое для испарения количество энергии. Если вода не сталкивается с
достаточно нагретой средой, то предполагается, что она не влияет на ход
пожара, просачиваясь в грунт.
При решении были рассмотрены три случая: тушение начинается в момент
зажигания очага (рис. 1), через 4 секунды после зажигания (рис. 2) и через 10
секунд (рис. 3). На данных рисунках представлены изотермы на различные
моменты времени: тонкая сплошная линия — 1500 К, тонкая штриховая —
1000 К, — жирная 500 К.
На рис. 1 слева показано, что контуры высоких температур сжаты
несколько сильнее под действием потока воды с большей интенсивностью. Уже
на начальной стадии пожара заметны качественные различия по профилям
температур: в левом столбце видна область температур выше 1500 К около
верхней границы слоя леса над исходным очагом пожара. На рис. 1 в правом
столбце показано, что при более высокой интенсивности потока, пожар
вытесняется в кроны деревьев и полностью гаснет.
Рисунок 1. Распределение температур при взаимодействии пожара с водой,
начиная с момента зажигания очага, wd=0,08 мм/с (в первой строке),
wd=0,09 мм/с (во второй строке): а — 2 с, б — 3 с, в — 4 с
На рис. 2 видно, что уже через одну секунду с момента начала тушения
пожара дым ещё достаточно горяч. Далее, газовая фаза, за исключением
небольшого факела пламени, охлаждается до температуры ниже 500 К. На
момент 7 секунд в случае большей интенсивности потока, процессы горения в
первую очередь затухают сверху. В данном случае, остаточные эффекты
горения наблюдаются лишь в нижней части слоя леса.
Рисунок 2. Распределение температур при взаимодействии пожара с водой,
через 4 секунды после зажигания очага, wd=0,08 мм/с (в первой строке),
wd=0,09 мм/с (во второй строке):а — 5 с, б — 6 с, в — 7 с
Рисунок 3. Распределение температур при взаимодействии пожара с водой,
через 10 секунд после зажигания очага, wd=0,07 мм/с (в первой строке),
wd=0,08 мм/с (во второй строке): а — 11 с, б — 12 с, в — 14 с
На рис. 3 показан результат сброса воды через 10 секунд после начала
лесного пожара. Несмотря на то, что интенсивность сброса воды несколько
ниже, уже через 1 секунду от его начала, газовая фаза существенно
охлаждается. В правой колонке на момент 14 секунд, можно видеть небольшую
область горения около верхней границы слоя леса, тогда как в его нижней части
энергии для продолжения пожара недостаточно. Таким образом, наглядно
показан процесс тушения пожара.
В результате анализа полученных результатов можно сделать вывод о том,
что в случае сброса недостаточного количества воды её активное испарение
происходит в газовой фазе над зоной активного горения, в результате чего
процесс горения несколько замедляется, но не прекращается. В случае, когда
воды достаточно, происходит поглощение энергии за счёт процессов испарения
не только в газовой фазе, но и в зоне активного горения, что приводит к её
сужению и затем полному затуханию пожара.
Список литературы:
1.
Белоцерковская И.Е.
Особенности
математического
моделирования
распространения лучистого теплового потока от очага горения при лесных
пожарах на неоднородном рельефе: Дис. … канд. физ.-мат. наук. Нижний
Новгород, 2012.
2.
Катаева Л.Ю. Анализ динамических процессов аварийных ситуаций
природного и техногенного характера: Дис. … д-ра.физ.-мат. наук.
Нижний Новгород, 2009.
3.
Катаева Л.Ю. О методе Гира численного моделирования динамических
систем, описываемых жесткими обыкновенными дифференциальными
уравнениями/Л.Ю. Катаева, В.Б. Карпухин // Наука и техника транспорта.
М.:РГОТУПС, — 2008, — № 1. — С. 57—66
4.
Катаева Л.Ю.,
Белоцерковская И.Е.,
Масленников Д.А.,
Куркин А.А.
Сравнение аналитического и численного решения математической модели
низового пожара с учетом влияния угла наклона подстилающей
поверхности // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, — № 11. —
С. 25—31.
5.
Масленников Д.А.
Особенности
математического
моделирования
распространения лучистого теплового потока от очага горения при лесных
пожарах на неоднородном рельефе: Дис. … канд. физ.-мат. наук. Нижний
Новгород, 2012.
6.
Масленников Д.А. Влияние холмов на динамику лесного пожара /
Д.А. Масленников, Л.Ю. Катаева, Н.В. Галина // Успехи современного
естествознания: материалы конференции / Пенза — 2012. — № 6 —
С. 189—189.
7.
Романов A.B., Катаева Л.Ю. Метод Патанкара и возможности его
оптимизации// Наука и техника транспорта, № 3, 2008. М.:РГОТУПС.
8.
Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов:
учебник
для
вузов
/
А.В. Бабкин,
В.И. Колпаков,
В.Н. Охитин,
В.В. Селиванов. 2-е изд., испр. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.
— 520 с.