Теплофизические аспекты прогностического моделирования лесной пожарной опасности

• Автор: Барановский, Николай Викторович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 397 с. : 39 ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЛАСТИ ПРОГНОЗА ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
1.1. Современные представления о факторах и процессах, определяющих лесную пожарную опасность
1.2 Современные подходы к оценке и моделированию лесной пожарной опасности
1.3 Выводы
2. ЗАЖИГАНИЕ СЛОЯ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА И ПРОГНОЗ ЛЕСОПОЖАРНЫХ ВОЗГОРАНИЙ
2.1 Экспериментальное исследование зажигания типичных ЛГМ стальной частицей
2.2.1 Методика эксперимента и объект исследования
2.1.2 Механизм зажигания сосновой хвои
2.1.3 Механизм зажигания листьев березы
2.1.4 Результаты и обсуждение
2.2 Экспериментальное исследование зажигания типичных ЛГМ углеродистой частицей
2.2.1 Объект и методика эксперимента
2.2.2 Характеристика источника возгорания
2.2.3 Механизм зажигания сосновой хвои
2.2.4 Механизм зажигания березовых листьев
2.2.5 Результаты и обсуждение
2.3 Физическая модель зажигания ЛГМ одиночной нагретой до высоких температур частицей
2.4 Одномерная математическая модель зажигания ЛГМ нагретой до высоких температур частицей
2.4.1 Геометрия области решения
2.4.2 Математическая постановка
2.4.3 Результаты математического моделирования
2.5 Плоская математическая постановка задачи о зажигании ЛГМ нагретой до высоких температур частицей
2.5.1 Геометрия области решения
2.5.2 Математическая постановка
2.5.3 Результаты и их обсуждение
2.6 Трехмерная математическая модель зажигания ЛГМ нагретой до высоких температур частицей
2.6.1 Геометрия области решения
2.6.2 Математическая постановка
2.6.3 Результаты и их обсуждение
2.7 Исходные данные
2.8 Проверка достоверности

2.9 Детерминированно-вероятностный прогноз лесопожарных возгораний
2.10 Выводы
3. ЗАЖИГАНИЕ ХВОЙНЫХ ДЕРЕВЬЕВ НАЗЕМНЫМ ГРОЗОВЫМ РАЗРЯДОМ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ПОДКОРКОВОЙ ЗОНЕ
3.1 Физическая модель зажигания хвойного дерева
3.2 Одномерная модель с учетом тепловыделения в подкорковой зоне
3.2.1 Математическая постановка
3.2.2 Результаты математического моделирования
3.3 Влияние М-компонентов разряда на зажигание
3.3.1 М-компоненты
3.3.2 Результаты математического моделирования
3.4 Двумерная модель с учетом локализации древесины сжатия
3.4.1 Геометрия области решения
3.4.2 Математическая модель зажигания с учетом локализации реактивной древесины
3.4.3 Результаты математического моделирования
3.5 Одномерная газофазная модель
3.5.1 Физическая модель и геометрия области решения
3.5.2 Математическая модель газофазного зажигания хвойного дерева
3.5.3 Результаты математического моделирования
3.6 Двумерная модель в приближении идеальной трещины
3.6.1 Физическая модель и геометрия области решения
3.6.2 Математическая постановка
3.6.3 Результаты математического моделирования
3.7 Трехмерная газофазная модель с учетом тепловыделения в подкоркой зоне
3.7.1 Физическая модель и геометрия области решения
3.7.2 Математическая модель в пространственной постановке
3.7.3 Результаты математического моделирования
3.8 Выводы
4. ЗАЖИГАНИЕ ЛИСТВЕННЫХ ДЕРЕВЬЕВ НАЗЕМНЫМ ГРОЗОВЫМ РАЗРЯДОМ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В СЕРДЦЕВИНЕ СТВОЛА
4.1 Одномерная модель с учетом испарения влаги
4.1.1 Физическая модель
4.1.2 Математическая постановка
4.1.3 Результаты численного моделирования
4.2 Двумерная модель в приближении крупных сосудов
4.2.1 Физическая модель и геометрия области решения
4.2.2 Математическая постановка
4.2.3 Результаты численного моделирования
4.3 Двумерная модель с учетом локализации реактивной древесины
4.3.1 Физическая модель и геометрия области решения

4.3.2 Математическая постановка задачи
4.3.3 Результаты численного моделирования
4.4 Двумерная газофазная модель
4.4.1 Физическая модель и геометрия области решения
4.4.2 Математическая постановка задачи
4.4.3 Результаты численного моделирования
4.5 Трехмерная газофазная модель
4.5.1 Физическая модель и геометрия области решения
4.5.2 Математическая постановка задачи
4.5.3 Результаты и их обсуждение
4.6 Выводы
5. ЗАЖИГАНИЕ СЛОЯ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА СФОКУСИРОВАННЫМ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
5.1 Экспериментальное исследование зажигания ЛГМ сфокусированным солнечным излучением
5.1.1 Методика и условия проведения экспериментов
5.1.2 Результаты экспериментальных исследований и механизм зажигания
5.1.3 Обсуждение результатов экспериментов
5.2 Математические модели процессов зажигания солнечным излучением
5.2.1 Физическая постановка
5.2.2 Одномерная математическая постановка
5.2.3 Результаты и их обсуждение
5.2.4 Плоская математическая постановка
5.2.5 Результаты и их обсуждение
5.2.6 Пространственная математическая постановка
5.2.7 Результаты и их обсуждение
5.2.8 Математическая постановка с учетом пористости слоя
5.2.9 Результаты и их обсуждение
5.3 Сценарное моделирование лесной пожарной опасности при воздействии солнечного излучения
5.4 Выводы
6. ДЕТЕРМИНИРОВАННО-ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПРОГНОЗ ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
6.1 Модель прогноза лесной пожарной опасности для несовместных событий
6.1.1 Физико-математическая модель лесной пожарной опасности
6.1.2 Вероятность возникновения лесных пожаров по метеоусловиям
6.1.3 Вероятность возникновения лесных пожаров и грозовая активность
6.1.4 Вероятность возникновения лесных пожаров и антропогенная нагрузка
6.1.5 Связь вероятности возникновения лесных пожаров со статистикой лесных пожаров

частицы (головешки, угольки) являются основным механизмом распространения лесных пожаров и пожаров, переходящих на населенный пункт (WUI Fires - Wildland Urban Interface Fires). Зачастую такие источники локального нагрева образуются при горении лесных горючих материалов и переносятся ветром или в результате действия плюма (конвективной колонки) от пожара на нетронутый огнем слой ЛГМ и приводят к его зажиганию. Например, анализ статистики пожаров 1994 года в Сиднее показал, что 75 % домов загорелись в результате выпадения нагретых частиц и только 25 % загорелись от частиц и излучения от пламени [226]. Кроме того, расплавленные или горящие частицы могут образовываться в результате соударения проводов ЛЭП при больших ветрах [225]. Процессы зажигания нагретыми частицами не достаточно изучены, за исключением некоторых полевых исследований [227-233]. В работе [225] представлены результаты экспериментального и теоретического исследования зажигания навесок из горючего материала нагретыми частицами. В качестве источника возгорания рассматривались стальные сферы, которые были инертны к химическому взаимодействию. В тоже время в качестве горючего материала использовалась целлюлоза в виде порошка, так как она образовывала однородные слои и обладала известными теплофизическими свойствами. Различные авторы предлагают следующий диапазон размеров горячих частиц, которые образуются в результате горения растительности или взаимодействия проводов ЛЭП: из древесины ели Дугласа образуются частицы с характерными размерами от 200 до 10 мм в диаметре [232,234,235]. Для авторов [225] представляло интерес оценить процессы воспламенения, тления, тления, переходящего в пламенный режим и отсутствия зажигания. Эти процессы зависят от размеров и состояния частицы (температура, запас тепла, тление или горение в пламенном режиме), а также от условий, в которых находится слой горючего материала и собственно его свойств. Используя одиночные раскаленные включения из ели Дугласа (5 мм и 10 мм в диаметре, 51 мм и 76 мм в длину, соответственно) при скорости обдуваемого потока 0.5 м/с или 1 м/с в работе [232] обнаружено, что зажигание в режиме тления происходило в обрезках бумаги, но не возникало в сосновой хвое и древесине лиственных пород. Для горящих частиц зажигание фиксировалось во всех экспериментах, за исключением мульчи лиственных пород деревьев. В [233] использовались