Математическое моделирование воздействия заданного потока воды на динамику лесных пожаров и определение параметров, необходимых для успешной борьбы с пожарами

• Автор: Лощилова, Наталья Алексеевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Оглавление
введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ВОДЫ И ДИНАМИКИ ЛЕСНОГО ПОЖАРА
1.1. Современные подходы к моделированию пожаров
1.2. Современные подходы к моделированию струи воды
1.3. Современные подходы к моделированию частиц воды, водяных завес и сплинкерных систем
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЛИЯНИЯ ПОТОКА СВОБОДНОЙ ВОДЫ НА ДИНАМИКУ ЛЕСНОГО ПОЖАРА
2.1. Физическая и математическая постановка задачи о тушении лесного пожара
2.2. Особенности дискретизации задачи о взаимодействии лесного пожара и заданного потока свободной воды
2.3. Нахождение оптимальных значений параметров в алгоритмах подачи воды в зону лесного пожара
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ ПОТОКА ВОДЫ ПРИ ТУШЕНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
3.1. Результаты численного моделирования взаимодействия потока воды с лесным пожаром в двумерной постановке
3.2. Результаты моделирования тушения пожара при помощи водяной пушки, движущейся параллельно фронту пожара
3.3. Влияние скорости ветра на эффективность тушения лесного пожара.
3.4. Анализ протекающих процессов, их энергии в типичных расчётах и оценки требуемого количества воды для тушения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ '
- 1 ' ^ I*' , < * ч
Работа посвящена исследованшо процессов, возникающих при тушении" лесных пожаров. , Использование феноменологического подхода *при постановке рассматриваемых задач позволило построить новые модели. Совместное использование понятий и методов механики жидкости и газа, механики многофазных реагирующих сред, компьютерного моделирования и современных вычислительных технологий позволило не только всесторонне изучить рассматриваемые явления, прогнозировать их динамику и решать задачи оптимизации тушения лесных пожаров на основе выбора оптимальных параметров подачи воды.
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 [11], так и за рубежом [73]’ 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 с 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 литературе существует огромное количество моделей разного уровня, позволяющих описывать динамику
„Ч,*г

лесного пожара и модели, позволяющие реконструировать струю воды. Все
Среди математических моделей лесных пожаров следует выделить эмпирические (F.A. Albini [110] и др.) и полуэмпирические модели (G.D. Richards [153, 154], М.А. Finney [130], G.M. Byram [139], C. Tymstra [127], K. Lichtenegger [145], Г.А. Доррер [29, 30], Г.Н. Коровин [43, 44] и др.). Основным достоинством этих моделей является простота и возможность получать удовлетворительные результаты в условиях, для которых они созданы. Однако они 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 ; I-
4 V- ’
необходимости корректировать закономерности распространения лесного у ^ ^ пожара на основе обобщении статистических и экспериментальных данных. * ' .
Эти модели используют той или иной алгоритм для определения динамики кромки пожара. В моделях такого типа обычно 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.
Одной из наиболее простых физических моделей является Dynamic data driven application system (DDDAS) [126]. Она 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, при этом гидродинамика не учитывается. Физические модели (А.М. Гришин [26], В.А. Перминов [74], Л.Ю. Катаева [37, 39, 40] и др.) лесных пожаров позволяют, на основе
их можно разделить на эмпирические, полуэмпирические, физические и

г 4! 1>а
Центральной частью исследования является моделирование распьшения. В Ъ
поверхности капли. Эти процессы были описаны математическими моделями и результатами экспериментов. Предлагаемые математические модели могут использоваться для предсказания периодов активации разбрызгивателя. Была построена модель, описывающая эффекты охлаждения от смежных устройств. Модели распыления и модели отслеживания местоположения капельки могут дать очень подробную информацию, характеризующую начальную конфигурацию капель и их последующую дисперсию. Модели распыления, созданные для устройств тушения, показывают сильную зависимость начальных условий капли не только от давления струи, но также и от характеристик огня.
В исследовании [47] разработана численная модель динамики вязкой жидкости на основе метода функции уровня для описания процессов < < нелинейных колебаний капли во время свободного падения, соударения с " горизонтальной поверхностью, дробления и слияния капель жидкости в,, несмешивающеися среде. Получены решения для сред с характерным отношением плотностей менее 10'3 и Яе > 1000. Проведено сравнение результатов моделирования процесса падения капли с имеющимися расчетными и экспериментальными данными.
Работа [68] предлагает решение нелинейного дифференциального уравнения с переменными коэффициентами, описывающего падение капли с заданной начальной скоростью, построенное в специальных табулированных функциях. Обнаружено хорошее соответствие расчётных значений скорости падения частицы в различные моменты времени с известными опытными данными.
Испарение небольшой капли жидкости, ударяющейся о нагретую пластину из нержавеющей стали исследуется в работе [168]. Исследуется поведение капли различных жидкостей, таких как вода, некоторые чистые и
тушением пожара, такие как активация, распыление, дисперсия и охлаждение