Факультет

Студентам

Посетителям

Горение частиц лесного горючего материала в условиях конвекционного переноса

Так как при высокоинтенсивных лесных пожарах конвекционным потоком поднимаются частицы различных размеров и форм, то это и обусловливает выпадение их на поверхность земли на различных расстояниях от кромки пожара.

На основании законов физики можно определить, что нужно для того, чтобы рассчитать максимальное расстояние переноса горящих частиц на пожарах разной интенсивности.

Для нахождения максимально возможного расстояния разлета горящих частиц, способных вызвать загорания за пределами кромки пожара, необходимо знать все величины, требующиеся для последовательного решения приведенных уравнений, начиная с последнего.

Однако скорости конвекционного потока, которые необходимы для подъема кусочков горючего, способных вызвать загорания за пределами кромки фронта пожара, пока еще неизвестны. Неизвестны также время сгорания кусочков древесины в условиях свободного полета и характер связи между временем горения и скоростью проскальзывания частицы в вертикальном газовом потоке. Не определено и время, необходимое для зажигания проводников горения.

Воспользоваться литературными данными о пожарах, могущих носить характер пятнистых, не представляется возможным, так как одни из них описательного характера, другие же посвящены выявлению аспектов, не имеющих отношения к нашему исследованию.

Попытка определения для ряда древесных пород была предпринята С. Tarifa в 1963—1965 гг., который сжигал кусочки древесины в вертикальной трубе, где закрепляли их на проволочке в положении наибольшего сопротивления обдувающему воздушному потоку. Однако воспользоваться данными этой работы для решения интересующих нас вопросов не представляется возможным. Дело в том, что при свободном полете в конвекционном потоке горящая частица все время меняет свою форму и положение относительно направления потока. Отсюда можно предположить, что горение ее происходит несколько иначе, чем в жестко фиксированном положении.

Кроме того, Tarifa проводил опыты со здоровой древесиной, имеющей влагосодержание от 2 до 25%. В естественных условиях влагосодержание живых здоровых веточек редко бывает меньше 100%. Древесина же, имеющая подобное влагосодержание и подверженная гнили, обладает другими физико-химическими свойствами, что также должно отражаться на ее полетных свойствах и характере горения.

Таким образом, в настоящее время в литературе, по-видимому, нет еще данных, необходимых для расчета возможного расстояния переноса горящих частиц при лесных пожарах, носящих характер пятнистых. Чтобы приблизиться к этому, мы попытались предварительно решить следующие задачи:

  1. определить материал, форму и размер частиц горючего, наиболее опасных в отношении создания загораний перед фронтом пожара;
  2. найти скорости конвекционного потока, необходимые для объема таких частиц;
  3. установить время горения этих частиц в условиях свободного полета;
  4. выявить зависимость скорости падения частиц горючего от времени горения в условиях свободного полета.

Для получения экспериментальных данных, необходимых для решения этих задач, была изготовлена установка, на которой можно имитировать подъем частиц горючего конвекционным потоком и падение их в воздухе. Она позволяет определить также и время горения частиц горючего с максимальным приближением к условиям горения их в свободном полете.

Установка состоит из вертикальной стеклянной трубы с внутренним диаметром 66 мм и длиной 900 мм. Эта труба соединена с другой трубой, внутренний диаметр которой 97 мм и длина 1000 мм. Верхний конец второй трубы присоединен к всасывающим отверстиям двух пылесосов «Буран». В трубу, несколько ниже ее верхнего конца, вставлен анемометр АСО-3, служащий для определения скорости потока в трубах.

Для помещения частицы горючего внутрь трубы меньшего диаметра на нижний конец ее надета проволочная сетка с размером ячеи 2X2 мм. Образцы, размеры которых меньше размера ячеи сетки, накалывали на иглу, зажигали, вводили в трубу, где снимали их с помощью пинцета и пускали в воздушный поток. Скорость движения воздуха при проведении опытов регулировали величиной напряжения, подаваемого на пылесосы через ЛАТР-5.

Для решения первого из перечисленных вопросов прежде всего необходимо было выяснить, что представляют собой частицы горящего лесного горючего, попадающие в конвекционный поток пожара.

По нашим наблюдениям, газовым потоком пожара увлекаются частицы горючего, которые падают с горящих, преимущественно сухостойных деревьев и представляют собой кусочки коры, веточек и подгнившей древесины самой различной формы. Естественно, что наиболее опасными будут те частицы горючего, которые не гаснут при максимальной скорости проскальзывания их в воздушном потоке и, находясь в условиях свободного полета в конвекционном потоке, горят продолжительнее, чем другие частицы, летящие в этом же потоке.

В качестве объектов наблюдения для начала мы взяли древесину и кору пород наиболее часто страдающих от пожаров, т. е. лиственницы, сосны и березы. В первую очередь были проведены наблюдения за возможностью горения таких частиц при максимально возможной скорости их проскальзывания в воздушном потоке. Внешне это выражалось в том, что частица находилась во взвешенном состоянии.

Опыты проводили следующим образом. Кусочки коры и древесины перечисленных древесных пород произвольной формы, как указано, вводили в трубу. Вес образцов не превышал 3,0 г. Зажигание производили с помощью специально изготовленной свечи, пламя которой было достаточным для одновременного охватывания всей поверхности образца. Скорость воздушного потока в трубе поддерживали равной скорости падения частицы, находящейся в ней. Всего было проведено свыше 100 опытов. В результате выявлено, что горение кусочков коры лиственницы, сосны и березы при обдуве их воздушным потоком со скоростью, равной максимальной скорости их падения, прекращается. Следует заметить, что толщина образцов коры лиственницы и сосны не превышала 5 мм.

Такие же опыты, проведенные с кусочками древесины указанных пород, показали, что при обдуве горящих образцов воздушным потоком соответствующей скорости они продолжают гореть. Однако пламенное горение вскоре прекращается, и частицы продолжают гореть беспламенно. Это характерно для частиц древесины самой различной формы.

Дальнейшие опыты для выявления наиболее опасных частиц горючего проводили только с кусочками древесины, влагосодержание которой было принято 12%. В конвекционный поток пожара попадают частицы различной формы. В большинстве случаев эти формы не поддаются объективной характеристике, но их можно приближенно приравнять к правильным формам, на которых мы и остановились: цилиндр, шар, диск и куб.

Главным требованием ко всем частицам горючего материала разной формы было то, чтобы при заданной скорости вертикального воздушного потока все испытуемые частицы находились в нем во взвешенном состоянии.

При рассмотрении приведенных данных можно видеть, что при одинаковой скорости потока наиболее длительное время горят сосновые цилиндры. Таким образом, можно считать, что среди указанных трех пород древесина сосны, по-видимому, вследствие ее меньшей плотности является в данном случае и наиболее опасной. Это ясно прослеживается и для цилиндров, и для дисков. Различия во времени горения частиц в форме шара и куба находятся в пределах ошибки опыта. Это объясняется небольшой массой образцов, время горения которых вследствие этого мало и с помощью примененной методики различия во времени горения не улавливаются. Наиболее опасной формой среди частиц горючего является цилиндр.

Оказалось, что цилиндрические частицы любой древесной породы горят значительно дольше других форм, что объясняется большей массой частиц цилиндрических форм, по сравнению с частицами других форм, при равной начальной скорости витания их в воздушном потоке.

Пожары действуют в широком диапазоне метеорологических условий, и естественно, что условия подъема частиц горючего на лесных пожарах могут быть различными.

Из рассмотрения формулы следует, что с изменением метеорологических условий может несколько измениться лишь плотность газа в конвекционном потоке. Остальные же параметры не меняются. Но как бы не изменялась в соответствии с метеоусловиями плотность газа в конвекционном потоке пожара, соотношение скоростей различных частиц горючего, находящихся в этом потоке, не изменится. Следовательно, вывод о том, что наиболее опасными частицами при прочих равных условиях являются цилиндры сосновой древесины, справедлив для условий любого лесного пожара.

Кроме изложенного, в результате наблюдений установлено, что скорость падения цилиндра одного и того же диаметра возрастает, если его длина будет больше четырех диаметров. Некоторое возрастание скорости падения происходит и в том случае, если длина цилиндра будет меньше четырех диаметров. Так, при длине цилиндра, равной его диаметру, скорость витания становится более близкой к скорости витания шара того же диаметра. Это увеличение скорости объясняется тем, что с возрастанием длины цилиндра из веточки становится более ощутимой его сбежистость. Последняя приводит к тому, что для обеспечения витания такого цилиндра необходимо увеличение скорости конвекционного потока.

Возрастание скорости падения в случае чрезмерного уменьшения длины цилиндра также объясняется изменением его формы, которая по мере уменьшения длины приближается к форме куба и шара, а в связи с этим уменьшается и коэффициент формы, т. е. коэффициент аэродинамического сопротивления, оказывающий большое влияние на величину установившейся скорости падения тел. Наиболее стабильными, по наблюдениям, являются цилиндры с длиной, равной четырем диаметрам, которые получаются при обламывании сухих веточек.

Чтобы отыскать скорости потока, необходимые для подъема частиц горючего, установить время горения частиц в условиях свободного полета и выявить зависимость скорости падения частиц от времени горения, мы провели следующие опыты. Испытуемый образец помещали на металлическую сетку, надетую на нижний конец трубы меньшего диаметра, и зажигали при помощи свечи. Период зажигания длился от 10 до 40 сек. После того как частица загоралась, через трубу пропускали воздух со скоростью, при которой частица непрерывно находилась во взвешенном состоянии в верхней части трубы. Весь период времени горения частицы, по мере ее сгорания, скорость воздушного потока соответственно уменьшали, регистрируя ее через каждые 10 сек.

Вследствие того, что кусочки древесины поднимаются тем легче, чем меньше их плотность, в этих опытах мы использовали древесину 1 и 2 стадии гниения. Кусочки древесины сосны в таком состоянии еще хорошо сохраняют форму и, кроме того, типичны для веточек сухостойных деревьев. Плотность их в абсолютно сухом состоянии равна в среднем 0,3 г/см3. Влагосодержание таких образцов было равно 12%, т. е. близко к тому, которое наблюдалось в естественных условиях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: