Об одном из возможных механизмов зажигания лесных горючих материалов грозовым разрядом

Размещено на http://allbest.ru

5

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Кафедра теоретической и промышленной теплотехники

Об одном из возможных механизмов зажигания лесных горючих материалов грозовым разрядом

Барановский Николай Викторович,

Захаревич Аркадий Владимирович

Максимов Вячеслав Иванович

г. Томск, Россия

Введение

Статистика лесопожарных возгораний [1] многих государств мирового сообщества (в том числе и России) показывает, что достаточно часто лесные пожары возникают в результате наземных грозовых разрядов.

При оценке лесной пожарной опасности с использованием, например, детерминировано-вероятностной методики прогноза [2], в основном используются статические данные по лесопожарным возгораниям на определенных лесопокрытых территориях.

В связи с возможными (иногда достаточно существенными) отклонениями в составе, возрасте, состоянии лесных массивов результаты использования как отечественных, так и зарубежных [1] методик прогноза, не всегда соответствуют реальности.

С целью повышения надежности прогноза лесной пожарной опасности разработан новый подход [3, 4] к анализу процессов, предшествующих возгоранию лесных горючих материалов (ЛГМ). В отличие от многих известных методик [1], использующих статистические данные по определенным территориям за конкретные периоды времени, подход [3, 4] ориентирован на моделирование процессов тепломассопереноса, протекающих в прогретом слое ЛГМ и вблизи нагреваемой поверхности этого материала в воздухе.

Одним из возможных источников возгораний ЛГМ, результаты воздействия которых можно оценить с использованием подхода [3, 4] является грозовой разряд.

Разработаны математические модели и методы решения соответствующих задач газофазного зажигания древесины ствола дерева под действием наземного грозового разряда [5, 6]. Но кроме рассмотренного в [5, 6] механизма возгорания высоковероятен также другой механизм [7]. Возможно зажигание напочвенного покрова (например, опада сосновой хвои) при выпадении нагретых до высокой температуры частиц древесины, образующихся при диспергировании поверхностного слоя ствола под действием термических напряжений. Процессы зажигания конденсированных веществ одиночными нагретыми до высоких температур частицами в последние годы достаточно интенсивно исследовались как экспериментально [8-12], так и теоретически [13-19].

По результатам этих исследований установлены основные закономерности процессов тепломассопереноса при воздействии локальных источников энергии на самые различные горючие материалы, сформулированы физические модели этих процессов и выполнено математическое моделирование кондуктивных, диффузионных и в ряде случаев конвективных [15, 16] процессов в области подготовки ЛГМ к возгоранию.

Разработанный математический аппарат [13-18] скорее всего достаточен для численного моделирования условий и характеристик зажигания любых лесных горючих материалов при воздействии одиночных «горячих» частиц.

Но пока не опубликованы результаты экспериментальных или теоретических исследований, на основании которых можно было бы обоснованно выделить диапазоны изменения характерных размеров и температур частиц древесины, образующихся при диспергировании поверхностных слоев дерева в результате грозового разряда.

Цель настоящей работы - определение по результатам численных исследований с применением модели [20] условий диспергирования приповерхностного разогретого до высоких температур слоя древесины ствола дерева, а также оценка характерных размеров и температур частиц древесины, выпадающих на поверхность ЛГМ после диспергирования.

Постановка задачи

Рассматривается следующая физическая модель. На поверхности земли произрастает отдельно стоящее дерево хвойной породы. В ствол дерева ударяет наземный грозовой разряд определенной полярности. Электрический ток наземного грозового разряда протекает по стволу.

Предполагается, что в различных сечениях ствола параметры тока одинаковы и он протекает в подкорковой зоне хвойного дерева. В результате происходит разогрев древесины за счет Джоулева тепла и при достижении определенных тепловых потоков из подкорковой зоны ствола и критической температуры происходит растрескивание тонкого приповерхностного слоя ствола.

Влиянием влажности древесины на процесс ее разогрева пренебрегается. Последнее допущение достаточно обосновано для кратковременных дождей с грозами, а также для начального периода дождя, когда грозовая активность обычно максимальна.

Для решения поставленной задачи необходим также анализ напряженно-деформированного состояния нагреваемого до высоких температур тонкого приповерхностного слоя древесины ствола, в котором происходит интенсивное тепловыделение.

Для оценки уровня возникающих термических напряжений и деформаций используется модель напряженно-деформированного состояния [21, 22], апробированная для условий нагрева теплозащитных материалов в [23]:

,(1)

,(2)

,(3)

При постановке задачи не рассматриваются термохимические процессы, возможные при разогреве древесины до высоких температур [5, 6] (термическое разложение, окисление газообразных и твердых продуктов пиролиза воздухом). лесной пожарный грозовой дерево температура

Предполагается, что характерные времена тепловых и физико-механических процессов много меньше характерных времен термохимических процессов.

Рис. 1. Схема области решения

Задача решается для цилиндра, который моделирует ствол дерева. Рассматривается определенное сечение ствола.

Схема области решения представлена на рис. 1, где 1 - сердцевина, 2 - подкорковая зона, 3 - кора ствола дерева; R_s - внешний радиус ствола, R₁ - граница раздела подкорковой зоны и коры, R₂ - граница раздела сердцевины и подкорковой зоны.

Процесс разогрева дерева наземным грозовым разрядом описывается системой нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности:

, (4)

,(5)

, (6)

Граничные условия для уравнений (4)-(6):

r = 0, , (7)

r = R₂, , , (8)

r = R₁, ,, (9)

r = R_s, , (10)

Начальные условия для уравнений (4)-(6):

t = 0, , i=1,2,3, (11)

где T_i, _i, c_i, _i - температура, плотность, теплоемкость и теплопроводность соответственно сердцевины (i = 1), подкорковой зоны (i = 2), коры (i = 3) ствола;

_e - коэффициент теплоотдачи;

J - сила тока наземного грозового разряда;

U - напряжение наземного грозового разряда;

- термическое напряжение;

- температурный коэффициент линейного расширения;

E - модуль упругости;

µ - коэффициент Пуассона.

r - координата,

t - время.

Индексы “e” и “0” соответствуют параметрам внешней среды и параметрам древесины в начальный момент времени.

Исходные данные (древесина сосны, сердцевина) [24]: = 500 кг/м³; c = 1670 Дж/(кгК); = 0.12 Вт/(мК).

Параметры подкоркового слоя: = 500 кг/м³; c = 2600 Дж/(кгК); = 0.35 Вт/(мК).

Теплофизические характеристики коры: = 500 кг/м³; c = 1670 Дж/(кгК); = 0.12 Вт/(мК).

Физико-механические характеристики: = 29.710^-6; E = 10000 МПа; µ = 0.06. Геометрические характеристики области решения: R_s = 0.25 м; R₁ = 0.245 м; R₂ = 0.235 м.

Параметры внешней среды: T_e = 300 K, _e = 80 Вт/(м²К).

Задача (1)-(11) решена методом конечных разностей аналогично [6].

Результаты и их обсуждение

На рис. 2 представлены распределения по радиальной координате радиальных, тан-генциальных и осевых напряжений.

Предел прочности древесины сосны при сжатии ^* = 46.3 МПа. Поэтому из анализа рис. 2 можно сделать вывод, что радиальные напряжения не приводят к образованию трещин на поверхности ствола.

Рис. 2. Распределение радиальных, тангенциальных и осевых напряжений по радиусу ствола дерева

Интервал 0.235 < r < 0.245 соответствует подкорковой зоне, в которой происходит тепловыделение (рис. 3) при электрическом разряде.

Рис. 3. Распределение температуры по радиальной координате

Окружные и осевые напряжения сжатия, возникающие при интенсивном очень быстром (t < 0.5 с) нагреве приповерхностного слоя древесины ствола существенно превышают предел прочности при сжатии. В этой связи есть основания для вывода об очень высокой вероятности интенсивного растрескивания с последующим диспергированием приповерхностного прогретого до высоких температур слоя древесины. Такое частичное разрушение ствола дерева при грозовом разряде наблюдали очевидцы. В частности очевидцем процесса диспергирования приповерхностного слоя ствола дерева при наземном грозовом разряде был профессор, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института теплофизики СО РАН В.С. Бердников.

Анализ распределений температуры по радиусу ствола дерева (рис. 2) показывает, что температура диспергированных частиц древесины достигает 1200 К. Ранее [11, 12] установлено, что зажигание опада хвойных и лиственных деревьев воз-можно при температуре свыше 1113 К. Следовательно, можно сделать вывод о высокой вероятности возгораний лесных горючих материалов, расположенных на поверхности земли, в результате наземного грозового разряда с последующим образованием нагретых до высоких температур частиц.

Для оценки масштабности возможных эффектов снижения температуры частиц древесины в течение их движения от поверхности ствола к напочвенным ЛГМ можно использовать результаты исследований [25]. Установлено [25], что за время 0.2 с частица с характерным размером 5 мм остывает не более, чем на 3-4 К при быстром движении (1.7 м/с) в воздухе. Поэтому можно считать, что частица диспергированной древесины обладает запасом энергии, достаточным для зажигания опада лиственных и хвойных пород древесины.

Проводя анализ исследуемого процесса также необходимо отметить, что крона многих деревьев в течении достаточно длительного времени закрывает ЛГМ опада от попадания влаги в начальный период дождя. Поэтому рассмотренный механизм зажигания ЛГМ может быть реализован в течение периода времени до 15-20 минут после начала грозы. Кроме того, на многих территориях возможны и сухие грозы.

Физическое и математическое моделирование зажигания ЛГМ нагретой частицей

Численное моделирование процесса зажигания лесного горючего материала - хвои про-ведено с использованием математической модели [26] (при изменении формы записи граничных условий четвертого рода на границе раздела “ЛГМ-частица”):

,

где - объемная доля сухого органического вещества, _i, T_i - теплопроводность и температура слоя ЛГМ (I = 1) и частицы (I = 2), z - пространственная координата (рис. 4).

Рис. 4. Геометрия области решения

При оценке времени задержки зажигания использовались известные критерии зажигания:

Ш теплоприход от химической реакции превышает теплоприход от нагретой частицы;

Ш температура газовой смеси достигает критического значения (средняя температура горения лесных горючих материалов).

На рис. 5 представлены результаты сравнения времен задержки зажигания, рассчитанных с использова-нием модели неидеального контакта на границе “ЛГМ-частица”.

Установлено, что хорошее согласование результатов эксперимента и теории выполняется при ц = 0.2.

Следует отметить, что нижний предел по начальной температуре составил 990 К. В диапазоне 1000-1150 К в экспериментах отмечались единичные возгорания, процесс этот был неустойчивым и носил случайный характер.

Рис. 5. Сравнительный анализ результатов численного и физического моделирования процесса зажигания ЛГМ нагретой до высоких температур частицей: 1 - экспериментальные точки, 2 - аппроксимирующая прямая, 3 - теоретическая зависимость

Заключение

По результатам выполненных теоретических исследований установлена возможность диспергирования при наземном грозовом разряде тонкого прогретого до высоких температур слоя древесины ствола дерева с образованием частиц размером до 5-6 мм и температурой до 1200 К.

Экспериментально и теоретически установлено, что такие частицы являются источниками нагрева, приводящими к зажиганию лесных горючих материалов и хвойных, и лиственных пород деревьев.

Полученные теоретические следствия являются основанием для вывода об еще одном механизме (в дополнение к [5, 6]) зажигания лесных горючих материалов, который целесообразно учитывать при анализе лесной пожарной опасности.

Полученные результаты являются также основанием для дальнейшего развития моделей, использующихся при реализации детерминированно-вероятностной методики прогноза лесной пожарной опасности [3, 4].

Выводы

1. Теоретически подтвержден еще один из возможных механизмов зажигания лесных горючих материалов наземным грозовым разрядом, при котором на напочвенный покров выпадают нагретые до высоких температур частицы, образующиеся в результате диспергирования древесины ствола под действием термических напряжений при его нагреве за счет выделения Джоулева тепла.

2. Теоретически и экспериментально установлен нижний предел зажигания слоя лесного горючего материала по начальной температуре нагретой до высоких температур частицей. Результаты сравнительного анализа показывают, что наблюдается хорошее согласование экспериментальных данных и теоретических следствий по временам задержки зажигания лесного горючего материала при учете пористой структуры его приповерхностных слоев.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (мероприятие 1.5). Соглашение № 14.B37.21.1979.

Литература

1. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2009. 301с.

2. Барановский Н.В. Оценка вероятности возникновения лесных пожаров с учетом метеоусловий, антропогенной нагрузки и грозовой активности. Пожарная безопасность. 2009. №1. С.93-99.

3. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Детерминированно-вероятностный прогноз лесопожарных возгораний. Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т.15. №5. С.56-59.

4. Барановский Н.В., Кузнецов Г.В. Конкретизация неустановленных причин в детерминированно-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности. Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т.20. №6. С.24-27.

5. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Исследование физико-химических процессов зажигания хвойного дерева наземным грозовым разрядом. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.20. №6. С.52-58.

6. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Пространственная постановка задачи о зажигании хвойного дерева наземным грозовым разрядом. Пожаровзрывобезопасность. 2010. Т.19. №10. С.30-37.

7. Барановский Н.В. Концептуальная база российской системы прогноза лесной пожарной опасности. Безопасность в техносфере. 2010. №6. С.34-42.

8. Кузнецов Г.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. Зажигание дизельного топлива одиночной “горячей” металлической частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т.17. №4. С.28-30.

9. Захаревич А.В., Кузнецов Г.В., Максимов В.И. Механизм зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т.17. №5. С.39-42.

10. Захаревич А.В., Кузнецов В.Т., Кузнецов Г.В., Максимов В.И. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной нагретой до высоких температур частицей. Физика горения и взрыва. 2008. Т.44. №5. С.54-57.

11. Захаревич А.В., Барановский Н.В., Максимов В.И. Зажигание лесного горючего материала углеродистой нагретой до высоких температур частицей. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.29. №2. С.102-108.

12. Захаревич А.В., Барановский Н.В., Максимов В.И. Зажигание лесных горючих материалов одиночными, нагретыми до высоких температур частицами. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №4. С.13-16.

13. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества «горячей» частицей. Химическая физика. 2004. Т.23. №3. С.67-72.

14. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей. Физика горения и взрыва. 2004. Т.40. №1. С.78-85.

15. G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak. 3D Problem of heat and mass transfer at the ignition of a combustible liquid by a heated metal particle. Journal of Engineering Thermophysics. 2009. Vol.18. Nо.1. P.72-79.

16. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив. Известия Томского политехнического университета. 2008. Т.312. №4. С.5-9.

17. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Математическое моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т.15. №4. С.42-46.

18. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей в плоской постановке. Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т.13. №2. С.173-181.

19. Буркина Р.С., Микова Е.А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла. Физика горения и взрыва. 2009. Т.45. №2. С.40-47.

20. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Математическое моделирование зажигания дерева хвойной породы наземным грозовым разрядом. Пожаровзрывобезопасность. 2008. T.17. №3. С.41-45.

21. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. М.: Мир. 1964. 517с.

22. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматлит. 1963. 252с.

23. Кузнецов Г.В., Рудзинский В.П. Исследование процесса разрушения поверхности теплозащитных и конструкционных материалов при интенсивном теплообмене с внешней средой. Теплофизика высоких температур. 1992. №3. С.529-533.

24. Заболотный А.Е., Заболотная М.М., Заболотная Ю.А., Тимошин В.Н. Определение зон безопасного применения твердотопливных генераторов пожаротушащих аэрозолей. Вопросы специального машиностроения. 1995. Вып.7-8. С.15-21.

25. Захаревич А.В. Зажигание твердых и жидких конденсированных веществ одиночными нагретыми до высоких температур частицами. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Томск: ТПУ. 2008. 117с.

26. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Пространственная постановка и численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. С.30-37.

Аннотация

Об одном из возможных механизмов зажигания лесных горючих материалов грозовым разрядом. Барановский*⁺ Николай Викторович, Захаревич Аркадий Владимирович, и Максимов¹ Вячеслав Иванович. Кафедра теоретической и промышленной теплотехники. Национальный исследовательский, Томский политехнический университет. Пр. Ленина, 30. г. Томск, 634050. Россия. Тел.: (3822) 56-36-13. E-mail: firedanger@narod.ru

*Ведущий направление; ⁺Поддерживающий переписку

Рассматривается возможный механизм образования нагретых до высоких температур частиц древесины, которые, выпадая на слой лесного горючего материала под кроной дерева, могут приводить к его возгоранию. Образование частиц происходит в результате роста термических напряжений в подкорковой зоне ствола дерева при протекании тока наземного грозового разряда. Установлены условия образования таких частиц и их начальная температура. Приведены результаты математического и физического моделирования процесса зажигания лесного горючего материала такой частицей.

Ключевые слова: грозовой разряд, частица, образование, зажигание, лесной горючий материал.

Размещено на Allbest.ru