Особенности математического моделирования распространения лучистого теплового потока от очага горения при лесных пожарах на неоднородном рельефе

• Автор: Масленников, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРАХ
1.1. Современные подходы к моделированию пожаров
1.2. Существующие подходы к моделированию процесса переноса лучистой энергии
1.3. Методы решения уравнений химической кинетики
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОЖАРА С УЧЁТОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1. Физическая и математическая постановка задачи
2.2. Теоретические основы дифференциальной модели излучения в диффузионном приближении
2.3. Теоретические основы дифференциальной модели излучения в диффузионно-волновом приближении
2.4. Результаты моделирования излучения по диффузионному и диффузионно-волновому приближениям дифференциальной модели и их анализ
2.5. Рекомендации по моделированию излучения при пожарах
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛАНДШАФТНЫХ ПОЖАРОВ
3.1. Основные вычислительные сложности при моделировании динамики ландшафтных лесных пожаров
3.2. Особенности численного моделирования
3.3. Результаты моделирования динамики пожара под воздействием внешнего поля скоростей с различными моделями излучения и их анализ
Заключение
Список использованных источников

Лесные пожары, являясь значимым фактором, определяющим глобальные изменения в экологических системах, в большинстве происходят по вине человека. Несмотря на все принимаемые меры, природные пожары приносят большой ущерб природе, здоровью людей и экономике. Такие факторы как сухой воздух и высокая температура способствуют существенному снижению влажности лесных горючих материалов, особенно лесной подстилающей поверхности, вследствие чего тлеющие окурки, непогашенные костры, оставленные без присмотра, а также другие нарушения правил пожарной безопасности с высокой вероятностью приводят к пожарам, распространяющимся с большей скоростью. Так например, в июле и августе 2010 года, по причине аномальной жары и отсутствия осадков, в России имела место тяжёлая ситуация с лесными пожарами, площадь которых, по данным Федеральной службы государственной статистики Российской Федерации, составила 1962333 гектара, особенно тяжелая обстановка сложилась в Европейской части России и на Урале. Среди наиболее пострадавших областей в результате пожаров 2010 года была Нижегородская. Согласно официальным статистическим данным территориального органа федеральной службы государственной статистики по Нижегородской области и единой межведомственной информационностатистическая системы, на территории области в 2010 году зарегистрировано 1278 лесных пожаров, при этом общая площадь, пройденная огнём составила 168770 гектаров. Засуха такого масштаба как в 2010 году случалась только дважды в XX веке - в 1936 и 1972 годах. Несмотря на то, что на территории Нижегородской области уже в 2011 году площадь выгоревшего леса значительно уменьшилась и составила 61 гектар, повторение аномальной жары и засухи в будущем не исключено.
Лето 2012 года показало, что ситуация с тушением пожаров за рубежом не лучше. Например, в США был зафиксирован крупнейший пожар в истории штата Колорадо. Кроме того, как отмечает издание Rambler Media Group , наиболее сильно пострадали штаты Арканзас, Небраска. Аналогичная ситуация в 2012 году была на юге и затронула Грецию, Хорватию, Португалию, Испанию и Францию.
Сложившаяся ситуация в России в 2010 году и за рубежом в 2012 году показала недостатки существующей системы мониторинга лесов, ориентированной на оценку пожарной опасности, но не позволяющей учитывать динамику пожаров.
Анализ динамики крупных пожаров в России и за рубежом показал недостатки существующей системы мониторинга и борьбы с лесными пожарами. Для успешной борьбы с крупными пожарами необходима продуманная стратегия, основанная на анализе распространения пожара с учётом возможных сценариев его развития. Существующие эмпирические (F.A. Albini; С.Н. Chase и др.) и полуэмпирические модели (G.D. Richards, М.А. Finney, G.M. Byram, C. Tymstra, K. Lichtenegger, E. Noonan-Wright, Г.А. Доррер и др.) не обеспечивают достаточной точности прогноза положения кромки пожара, и, как правило, не определяют динамику всего пожара, что является существенной помехой для эффективного размещения пожарных и техники. Полуэмпирические модели основаны на сборе и обобщении статистических и экспериментальных данных и построении на их основе закономерностей распространения пожара. Другой ключевой составляющей таких моделей является алгоритм, использующий данные закономерности для расчёта кромки пожара. В моделях такого типа, излучение учитывается лишь в той мере, в которой оно влияет на статистические данные и результаты экспериментов.
Другим подходом к моделированию пожаров является рассмотрение распространения одномерного пожара с постоянной скоростью. Среди авторов работ, основанных на таком подходе, можно отметить: W.H. Fradsen,
Н.С. Hottel, R.A. Wilson, P.J. Pagni, T.P. Peterson, F.A. Albini. Такой подход позволяет учитывать излучение, основываясь на физических законах, но используя сильно упрощённую геометрию факела пламени.

В качестве начальных условий для моделирования пожара выбирается стационарное поле скоростей и давление, сформированное за счёт обтекания рельефа. Температура в начальный момент считается равной температуре невозмущённой среды во всей расчётной области, кроме очага пожара. Концентрации газовых компонент полагаются равными невозмущённому состоянию. Массовая доля каждой из твёрдых компонент равна нулю за пределами полога леса, а внутри полога леса определяется формулой

2.2. Теоретические основы дифференциальной модели излучения в диффузионном приближении
Диффузионное приближение [72, 92] основано на модификации закона распространения лучистой энергии (1.3) путём замены мгновенного характера распространения лучистой энергии на диффузионный с фиктивным коэффициентом диффузии При этом в уравнение (1.2)
вносить изменения не требуется.
Для упрощения расчёта распространения излучения около границ целесообразно уменьшить мощность излучения от среды на величину, равную мощности излучения при начальной температуре. Такой приём позволяет уменьшить погрешность для граничных условий свободной границы за счёт того, что пожар рассматривается на удалении от неё, а излучение от нагретой среды ослабевает с расстоянием. С учётом вышесказанного, диффузионное приближение будет иметь следующий вид: