Факультет

Студентам

Посетителям

Изменение скорости потока с высотой при лесных пожарах

Как же происходит изменение скорости конвекционного потока на высотах, превышающих высоту древостоя?

Из физики явления следует, что скорость над источником тепла должна повышаться до некоторой высоты. Это подтверждено исследованиями многих авторов. Но закономерностей, характеризующих изменение скорости конвекции над реальными пожарами, пока еще не установлено.

Для того чтобы знать, до какой высоты могут подняться частицы горючего, попадающие в конвекционный поток, необходимо выявить, как же изменяется скорость конвекционных потоков над лесными пожарами с высотой по сравнению с их скоростью на высоте древостоя.

Непосредственные замеры параметров конвекционных потоков крупных пожаров с летательных аппаратов представляют большие трудности, а нередко и опасность для жизни исследователей. Так, например, Фаур пишет, что при пожаре, имевшем место в Японии в 1945 г., скорость восходящих потоков была настолько значительной, что некоторые самолеты, летящие на высоте 1800 м над пожаром, были опрокинуты. На опасность полетов сквозь конвекционные потоки пожаров указывают многие авторы: Э. Н. Валендик и др. (1973), Р. Г. Тэйлор и др., Д. А. Коновалов (1973). Поэтому данные о скоростях, замеренных непосредственно при пролете сквозь дымовые потоки, являются уникальными, несистематическими, и могут служить лишь для общего представления о скоростях, существующих в конвекционных потоках над пожарами.

Определения скоростей потоков косвенными способами, как Правило, ненадежны. Так, например, киносъемка клубов дыма и летящих в них горящих углей, использованная для этих целей Веренкампом, может дать недостоверные значения скорости, так как неизвестны масса и объем углей, определяющие скорость Проскальзывания их в газовом потоке. Фотографируя клубы дыма, Веренкамп мог судить только лишь о скоростях на периферии газового потока, которые могут отличаться от скорости в Центральной части.

В связи со значительными трудностями, имеющими место при определении различных параметров конвекционных потоков, исследователи настойчиво изыскивают возможности определения этих параметров путем моделирования естественных пожаров. Имеются работы, проведенные в этом направлении.

Как известно, физической моделью какого-либо процесса (образца) является другой процесс той же природы, все характеристики которого находятся между собой в тех же соотношениях, что и в образце, а одноименные характеристики образца и модели отличаются друг от друга на постоянный множитель. Основное правило моделирования, сформулированное М. В. Кирпичевым, гласит, что подобны те системы, условия однозначности которых равны, а критерии, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Следовательно, для полного подобия модели образцу необходимо выполнить следующие требования: а) процесс, воспроизводимый в модели, относится к тому же классу физических явлений, что и процесс, протекающий в образце, т. е. что оба процесса характеризуются одинаковыми физическими величинами и описываются одним и тем же уравнением; б) геометрически модель подобна образцу; т. е. что безразмерные краевые условия в образце и модели одинаковы качественно и численно; в) безразмерные аргументы процесса, определяющие критерии подобия в образце и модели, имеют одинаковые численные значения. При выполнении перечисленных условий моделирование является прямым и полным.

Возможно также приближенное моделирование и моделирование по аналогии. При приближенном моделировании в модели воспроизводится тот же физический процесс, что и в образце (или наиболее существенная часть этого процесса) при частичном нарушении тех или иных из перечисленных выше условий полного подобия. При моделировании по аналогии в модели воспроизводится процесс другой физической природы, чем протекающий в образце, но описываемый в отношении своих параметров уравнениями того же типа, что и уравнения моделируемого процесса.

Значительных успехов в области приближенного моделирования добился Байрам, разработавший в 1966 г. масштабные законы моделирования пожаров. Его моделирование основывается на принципах частичного масштабирования в пренебрежении молекулярными параметрами, например числом Грасгофа. В результате проведенных исследований им установлено, что одним из основных требований подобия модели пожару является наличие их геометрического подобия.

Байрам доказывал, что при выполнении подобия модели и пожара скорости конвекции на одинаковых относительных высотах связаны между собой одним и тем же, характерным для данных модели и пожара, соотношением, т. е. скорость конвекции и над моделью, и над пожаром изменяется одинаково.

Байрам приводит пример, когда при диаметрах модели и пожара соответственно 12,4 и 3120 м и при высоте измерения над моделью 0,15 м и над пожаром 39 м скорость конвекции равнялась 5,5 м/сек над моделью и 39 м/сек над пожаром. Подобие пожара и модели оказалось выполнимым по его данным до высоты около 2000 м. Дальнейшие исследования доказали справедливость этих масштабных законов при моделировании естественных пожаров и подтвердили возможность использования электромоделей для этих целей.

Мы попытались использовать возможность моделирования пожаров для выявления характера изменения скорости конвекционных потоков пожара с высотой. В наших исследованиях модели представляли собой тепловые элементы в виде спиралей, окруженных листовым асбестом. В процессе опытов мы определяли скорости конвекционных потоков на различных высотах над нагретыми тепловыми элементами. Скорости замеряли при помощи анемометра АСО-3, укрепляемого на определенной высоте над нагретой спиралью. Скорость тепловыделения рассчитывали по электрической мощности. Верхней границей конвекционных потоков считали ту высоту, на которой скорость восходящих движений равна фоновой.

Реальные пожары могут иметь различную интенсивность гонения и различную длину кромки. Мы попытались выявить, как изменяются скорости конвекционных потоков на различной высоте над пламенем пожара с изменением его интенсивности и длины кромки, а также до какой высоты может существовать зона активной конвекции. (Под зоной активной конвекции мы понимаем интервал от основания конвекционного потока до той высоты, где исчезает положительное ускорение восходящего движения воздуха.)

Для выявления влияния интенсивности источника тепла на х скорость потока на различных высотах замеры скорости производили над моделью с одним и тем же отношением, длины кромки к ее ширине и со скоростью тепловыделения, различающейся в 2 раза.

Замеры делали на высотах, равных одной, двум, трем и т. д. длинам источника тепла — спирали. Кроме того, первый замер делали на высоте в 10 раз больше диаметра спирали; его мы условно принимали за высоту пламени пожара; на реальном пожаре высота этого замера определится как равная высоте пламени.

С увеличением интенсивности тепловыделения от 1000 до 2000 дж/м∙мин вырастают скорости конвекции, а следовательно, и высота конвекционной зоны. При неизменности геометрической формы источника тепла скорость конвекции над ним изменяется в относительных единицах одинаково даже при различной Интенсивности тепловыделения.

Особое внимание привлекает тот факт, что при увеличении интенсивности горения вдвое скорость конвекционного потока на высоте первого замера возрастает на 21%, т. е. прирост скорости, так же как и на реальном пожаре, находится в пределах 15—30%, что подтверждает возможность использования электромоделей для моделирования пожаров.

Для выявления влияния длины кромки пожара на изменение скорости конвекции с высотой мы проводили опыты на моделях с одинаковой интенсивностью выделения тепла с единицы длины, но с различным отношением длины источника тепла к его ширине. Это достигалось изменением длины одного и того же источника тепла и соответствующим изменением величины подаваемого на спираль напряжения. Опыты проведены на моделях с отношениями ширины кромки к длине как 1:50, 1:25, 1:10.

Прежде всего, можно заключить, что они подтверждают высказанное нами ранее утверждение об увеличении высоты потока при возрастании длины кромки. Это происходит вследствие того, что конвекционный поток над кромкой пожара по мере подъема не остается плоским, как у основания, непосредственно над кромкой. Под влиянием подтока окружающего воздуха он приобретает округлую форму в сечении горизонтальной плоскостью. Теплые продукты горения как бы концентрируются, и общая мощность потока увеличивается. Это явление имеет некоторые предельные размеры, над фронтом большой длины образуется ряд независимых потоков.

Скорость потока увеличивается приблизительно до 1/4—1/3 его высоты. Это еще раз подтверждает положение Роуза о том, что зона активной конвекции над источником тепла простирается до высоты не более 1/3 части всей высоты потока.

Очевидно также, что чем больше отношение ширины источника тепла к его длине, тем большей относительной высоты достигает конвекционный поток. Вместе с тем меняется и зависимость скорости конвекции от высоты.

Эти выводы согласуются с экспериментальными данными, полученными Д. А. Коноваловым (1973) с помощью приборов, установленных на самолете, который пролетал над нашими опытными пожарами. Длина кромки фронта на этих пожарах равнялась 60—70 м, а отношение ширины кромки к ее длине было равно 1 : 50. На основании данных, полученных при пролете через конвекционные струи таких пожаров, он утверждает, что увеличение вертикальной скорости в струе в этом случае происходило не более чем до 200 м, в вышележащем слое вертикальная скорость воздуха в струе замедлялась. Над обследованными им очагами пожаров конвекционная струя сливалась с фоном на высоте 500 м.

Если сравнить данные Д. А. Коновалова с данными, полученными нами на модели при D/L= 1 : 50, то можно увидеть, что между моделью и естественным пожаром наблюдается соответствие. А именно:

1) как для модели, так и для пожара высота конвекции близка к 10-кратной длине кромки;

2) для модели и для пожара характерно увеличение вертикальной скорости конвекции до 1/4—1/3 высоты конвекционного потока;

3) максимальное значение скорости конвекции в обоих случаях наблюдается на высоте, равной трем длинам модели или кромки пожара.

На основании проведенных опытов мы считаем, что конвекционные потоки над отдельными участками кромки пожара можно приближенно рассматривать как геометрические фигуры, по форме близкие к сдавленному однополостному гиперболоиду. В отсутствие ветра высота отдельного потока всегда больше длины участка кромки, над которыми он сформировался. Скорость таких потоков при нейтрально устойчивом состоянии атмосферы возрастает приблизительно до 1/4—1/3 высоты при условии, что он не будет смят ветром. При состояниях атмосферы, способствующих или же препятствующих развитию восходящих движений воздуха, распределение скоростей в конвекционном потоке может отклоняться от того, которое выявлено нами на моделях. Однако на небольших высотах порядка 200—300 м термическое состояние атмосферы не оказывает ощутимого влияния на параметры конвекционных потоков. На это указывают Н. И. Вульфсон и Л. Н. Гутман (1965). Пристли и Болл утверждают, что термическая стратификация атмосферы мало влияет на параметры конвекции на небольших высотах, а далее ее влияние усиливается.

Используя полученные данные об изменении скорости конвекции, и зная интенсивность пожара, можно определить скорости конвекционных потоков конкретных лесных пожаров при любой их интенсивности и размерах горящей кромки, объединяемой конвекционным потоком.

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



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: