ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
1. ОБЗОР РАБОТ ПО НИЗОВЫМ ЛЕСНЫМ ПОЖАРАМ.........................9
1.1.0 низовых лесных пожарах...................................9
1.2. Базы данных для математических моделей..................] 6
1.3. Методы определения коэффициентов влагопсреноса...........19
1.4. Обзор работ по зажиганию и горению торфа.................36
1.5. Выбор параметров процесса и определение критериев подобия 38
1.6. Объект исследования......................................40
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ;........................................42
2.1. Методика определения потенциала влагопсреноса, удельного коэффициента влагоемкости и влагопроводности................42
2.2. Ботанический состав торфа................................50
2.3. Определение теилофизичсских, термокинетических и гидродинамических характеристик торфа.......................58
2.4. Испарение свободной и связаной влаги.....................62
2.5. Характеристики зажигания и горения.......................65
2.6. Уравнение переноса влаги в ЛГМ...........................68
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССООБМЕНА В ЛГМ...............................................78
3.1. Результаты определения потенциала влагопереиоса, коэффициентов удельной влагопроводности и влагоемкости ЛГМ................78
3.2. Исследования массообмена в ЛГМ для различных типов влаги 83
3.3. Экспериментальное исследование сушки и пиролиза ЛГМ в присутствии потока воздуха..................................91
3.4. Сравнительный анализ методик определения характеристик массообмена.................................................95
3.5. Способ и полезная модель для определения пожароопасности ЛГМ.. 99
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА, ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ ТОРФА....................105
4.1. Результаты определения потенциала влагопереиоса, коэффициентов удельной влагоемкости и влагопроводности торфа.............105
4.2. Тсплофизические, термокинетические и гидродинамические характеристики торфа различного ботанического состава......112
2
4.3. Определение термокинетических констант сушки и пиролиза торфа 115
4.4. Гидродинамические характеристики торфа...............119
4.5. Результаты экспериментальных исследований процессов зажигания и горения торфа..........................................120
ВЫВОДЫ......................................................126
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАРУРЫ............................128
3
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня, в век технического прогресса, развития науки и технологий в мире происходит множество различного рода аварий и катастроф, часто связанных с гибелью людей, разрушением материальных ценностей, с возникновением серьезных нарушений экологии и. т. д.
Все более актуальной становиться тема чрезвычайных ситуаций природного характера. Число наводнений, землетрясений, извержений вулканов увеличивается с каждым годом. К чрезвычайным ситуациям природного характера относятся лесные и торфяные пожары. Российская Федерация славится своими лесами, она - один из крупнейших во всем мире экспортер древесины. Но в последнее время общая площадь лесов несоизмеримо сокращается. И одна из причин такого сокращения - лесные и торфяные пожары. В настоящее время ежегодно возникает множество лесных пожаров, увеличиваются и катастрофические вспышки лесных и торфяных пожаров. Вред, который они приносят человечеству, огромен, особенно если учитывать не только прямой, но и косвенный ущерб. В первой половине двадцатого столетия на территории России было 46 типов леса, из них до наших дней сохранилось только 25. Причем, некоторые из них лишь в виде небольших островов и им грозит уничтожение [1].
Поэтому актуальность решаемых в данной работе задач определяется проблемой охраны окружающей среды, прогнозом пожарной опасности лесов и торфяников.
Пожар легче предупредить, чем потушить.
Процесс горения может происходить только при наличии и определенном соотношении трех элементов: свободного кислорода,
горючего материала и источника тепла. Поскольку кислород присутствует повсеместно в атмосферном воздухе, а горючие материалы в виде всевозможных органических соединений в природе распространены довольно широко, то не достающей частью для горения могут служить
4
только источники тепла. Тепло необходимо для подготовки горючего материала к горению, то есть для его высушивания и нагревания до температуры горения. Источником тепла в процессе горения служит обычно сама зона, где протекает реакция. Если теплом, которое выделится при сгорании какой-то порции горючего, будет подготовлена к горению точно такая же новая порция горючего, то зона горения остается стабильной. Если же каждая вновь подготовленная порция горючего больше прежней, то размеры зоны горения возрастают. Именно такое явление наблюдается при пожарах [1,2].
Первичным источником тепла для возникновения в лесу пожара чаще всего бывает открытый огонь, возникающий по вине человека, а также огонь, возникающий при разрядах молний.
Целью диссертационной работы является:
1. Выяснить механизм испарения свободной и связанных влаги из лесных горючих материалов (ЛГМ).
2. С помощью понятия потенциала влагопереноса найти характеристики тепломассообмена ЛГМ и торфа и сравнить их с характеристиками, полученными по классическим методикам.
3. Определить теплофизические характеристики торфа (коэффициенты теплопроводности и коэффициента удельной теплоемкости) в зависимости от температуры и влагосодержания.
4. Исследовать экспериментально процессы зажигания и горения торфа и лесных горючих материалов в лабораторных условиях.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие
задачи:
1. Обзор публикаций и создание экспериментальных установок для моделирования зажигания и горения торфа и лесных горючих материалов в лабораторных условиях.
2. Проведение экспериментальных исследований, выбор и определение критериев подобия.
5
3. Выяснение механизма зажигания и горения торфа, определение коэффициентов влагоемкости, влагопроводности и массообмсна лесных горючих материалов.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Получены значения коэффициентов тепломассообмена для ЛГМ и торфа.
2. Экспериментально найдены теплофизические характеристики торфа.
3. Найдены критические условия зажигания торфа.
4. Исследован процесс поверхностного и глубинного горения торфа.
5. Предложен способ определения критического влагосодержания ЛГМ.
6. Разработана и изготовлена модель устройства для нахождения критического влагосодержания ЛГМ.
Достоверность результатов подтверждается применением различных методик для нахождения одних и тех же физических параметров задач, сравнением экспериментальных данных автора с данными Шубина Г.С., Жуковской Б.И., Синицына С.П., Абалтусова В.Е., Борисова А.А, Лыкова
A.B., Лободы Е.Л, статистической обработкой результатов измерений.
Практическая значимость работы: полученные результаты помещены в базу данных для теоретических моделей процессов массообмена, зажигания и горения ЛГМ и торфа, разработана и изготовлена модель устройства для определения пожароопасности хвойного лесного массива.
На защиту выносятся:
1. Конструкции и установки по исследованию процессов тепломассообмена, зажигания и горения торфа в лабораторных условиях.
2. Результаты экспериментальных исследований но определению характеристик тепломассообмена, зажигания и горения торфа.
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на международных и региональных конференциях, в том
6
числе на Международной конференции “Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия” (Иркутск, 2005), Международной конференции “Пятые Окуневские чтения” (Санкт-Петербург, 2006), Международной конференции “Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии” (Иркутск, 2007), Международной конференции “Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф” (Томск, 2008), Международной конференции ЕМУИЮМЖ 2008 (Томск, 2008).
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в центральной печати в журналах, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель: Устройство для определения пожароопасности хвойного лесного массива // Заяв. 2008115323, Приоритет 18.04.2008, Зарегистрировано 10.10.2008. Бюл. № 28.
Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы.
В первом разделе дается краткий обзор по проблеме тепломасообмеиа лесных горючих материалов и торфа и осуществляется выбор критериев подобия.
Во втором разделе дается описание экспериментальных установок и методик определения характеристик тепломассообмена, зажигания и горения. В подразделе 2.1 описан ботанический состав торфа. В подразделе
2.2 даются методики определения потенциала влагопереноса, коэффициентов влагоемкости и влагопроводности. В подразделе 2.3 описываются экспериментальные установки для определения теплофизических, термокинетических и гидродинамических характеристик торфа. В подразделе
2.4 описывается методика исследования процессов испарения свободной и
7
связанной влаги. В подразделе 2.5 даются методы определения характеристик зажигания и горения торфа.
В третьем разделе приводятся результаты экспериментальных исследований процессов массообмена в ЛГМ. В подразделе 3.1 даются результаты определния потенциала влагопереноса, коэффициентов удельной влагопроводности и влагоемкости ЛГМ. В подразделе 3.2 исследуется массообмен в ЛГМ для различных типов влаги. В подразделе 3.3 описывается экспериментальное исследование сушки и пиролиза ЛГМ. В подразделе 3.4 дается сравнительный анализ методик определения характеристик массообмена. В подразделе 3.5 представлены способ и полезная модель для определения пожароопасности ЛГМ.
В четвертом разделе экспериментально исследуются процессы тепломассообмена, зажигания и горения торфа. В подразделе 4.1 даются результаты определения потенциала влагопереноса, удельной влагоемкости и влагопроводности торфа. В подразделе 4.2 определяются теплофизические, термокинетические и гидродинамические характеристики торфа различного ботанического состава. В подразделе 4.3 даются результаты экспериментального исследования процессов зажигания и горения торфа.
В выводах сформулированы основные научные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы
Федерального Агентства по Образованию шифр гранта «11 042242»; грантов ЕЗН № 1.4.02; РФФИ 05-01-00201а; «Университеты России» № 3.01.396; программы ФАО (проект Минобразования) № 37805; гранта РФФИ - Обь.
8
1. ОБЗОР РАБОТ ПО НИЗОВЫМ ЛЕСНЫМ ПОЖАРАМ
1.1.0 низовых лесных пожарах
Лесные пожары играют важную роль в формировании и поддержке лесных биогеоценозов [1]. Известно как положительное, так и отрицательное влияние на них [2-4]. Очень важно уметь предвидеть их возникновение и оценивать возможности их распространения. Наибольшее значение имеет прогноз низовых пожаров, поскольку более 80% всех пожаров растительности - низовые [5], практически все верховые пожары развиваются из низовых. В работах [5-8] дана классификация лесных горючих материалов и изложена методика их картографирования.
В результате лесных пожаров в атмосферу выбрасывается большое количество газообразных и дисперсных продуктов пиролиза и горения ЛГМ, что загрязняет ее. Кроме того, лесные пожары способствуют увеличению содержания углекислого газа в атмосфере [1], что содействует глобальному потеплению. Вопросы грядущего глобального потепления климата обсуждаются в работах [9-13]. Глобальное потепление климата вызовет также увеличение лесной пожарной опасности. Из результатов прогноза погодных условий на 2030 год [9-13], который сделан с использованием глобальных климатических моделей, показано, что зональная принадлежность многих сибирских метеостанций изменится [10]. В работе [10] установлено, что наиболее значительные изменения произойдут в Западно-Сибирском регионе, что не может в дальнейшем не сказаться на увеличении лесной пожарной опасности. При климатических изменениях возникают экстремальные отклонения в сезонных колебаниях погоды, что может стать причиной крупномасштабных лесных пожаров [11—13]. Эти
9
пожары создают непосредственную угрозу лесам и расположенным в них населенным пунктам.
Роль естественных и антропогенных пожаров в лесных и болотных экосистемах (т.е. пожаров растительности или природных пожаров) велика и разнообразна [8].
Важность и актуальность проблемы природных пожаров еще более возрастает в последнее время в связи с усилением хозяйственной деятельности человека в лесах и степях. Именно вследствие роста антропогенной нагрузки каждый год наблюдаются многочисленные лесные пожары на Дальнем Востоке, в Прибайкалье, Красноярском крае и Западной Сибири [14].
Лесные пожары ежегодно наносят огромный ущерб: уничтожают собственность, представляют угрозу жизни и здоровью человека и обитателей леса.
Низовые лесные пожары составляют абсолютное большинство от числа всех пожаров в лесу [1]. Они имеют место не только в тайге, но и в лесостепях, и в тундре [15]. Причины загораний могут быть как природные (так называемые сухие грозы), так и связанные с деятельностью людей (непотушенпые спички, окурки, охотничьи пыжи из тлеющих материалов; выхлопные газы и искры от двигателей работающих машин и механизмов; тлеющий шлак, выбрасываемый из железнодорожных пассажирских вагонов; непогашенные костры и т.д.) [14, 16]. Нередко низовые лесные пожары, как и степные, переходят в крупные лесные пожары. Как известно, лес очищает и оздоравливает атмосферу, обогащая ее кислородом. Поэтому охрана леса от пожаров, будучи частью более общей проблемы - защиты окружающей среды, в то же время имеет важное самостоятельное значение. Поэтому математическому и физическому моделированию этих лесных пожаров уделялось и уделяется большое внимание.
10
Сегодня нужен подход к проблеме массовых природных пожаров по принципу: «Предупредить пожар в 15 раз дешевле, чем ликвидировать его последствия» [17].
Необходимо создание единой системы мониторинга и прогнозирования возникновения природных чрезвычайных ситуаций, существующей и работающей в едином информационном пространстве для обеспечения всесторонней оценки и повышения качества прогноза. Это позволит разработать возможные сценарии (модели возникновения и развития экстремальной обстановки) и обосновать наиболее эффективные способы и меры борьбы с природными пожарами что, несомненно, приведет к снижению масштабов последствий природных пожаров. Устранение данных проблем позволит эффективно снижать риск и смягчать последствия массовых природных пожаров [17].
Поэтому, прежде чем создать систему прогнозирования возникновения природных чрезвычайных ситуаций, необходимо, прежде всего, исследовать основные характеристики и закономерности возникновения и
ч
распространения лесных пожаров.
Общая физико-математическая модель лесных пожаров, которая была разработана в Томском государственном университете (ТГУ) в период с 1978 по 2002 годы и опубликована в [1,14,18, 19-21], описывает распространение огня во всех ярусах, в том числе в таких, как опад, ярус трав и кустарников. Поэтому понятия, постановки и методы решения в теории лесных пожаров можно использовать и для физико-математического описания степных пожаров. Надо только создать соответствующую базу данных для математической модели степных пожаров, в которую входят сведения о составе и структуре реакционноспособной среды, о коэффициентах переноса, а также о термокинетических постоянных процесса сушки и реакций пиролиза и горения.
11
Исследования россинеких ученых. Природные пожары являются предметом исследования во многих организациях, в том числе и в Томском госуниверситете. Цель этих исследований заключается в создании общей математической модели лесных пожаров, методов и методик решения прямых и обратных задач теории лесных пожаров, в исследовании структуры фронта пожара, механизма и предельных условий возникновения и распространения лесных пожаров, а также в прогнозе экологических последствий пожаров. Эта работа проводится по единому алгоритму [14,18] и включает многолетние взаимосвязанные этапы [21].
Кроме того, интенсивную работу по изучению природных пожаров осуществляют и красноярские ученые. Так, в работе [22] проанализированы характерные особенности процесса распространения лесных пожаров. Математическому моделированию лесных пожаров также посвящены работы [23-34], в которых изложены первые вероятностные модели распространения лесных пожаров, математические модели распространения криволинейных фронтов лесного пожара и т.д.
С конца семидесятых годов прошлого столетия в Томском государственном университете с использованием понятий и методов механики сплошных многофазных реагирующих сред в серии статей была предложена первая версия общей математической модели лесных пожаров [35-41]. Эти результаты были обобщены в монографии [18]. В дальнейшем в ТГУ наряду с теоретическими исследованиями стали проводиться полунатурные экспериментальные исследования [42,43]. Эти исследования были необходимы для создания физической и математической моделей лесных пожаров, базы данных общей математической модели лесных пожаров и сравнения теоретических результатов с экспериментальными данными. Под физической моделью понимается совокупность причинно-следственных связей, однозначно обт>ясняющих механизм возникновения и распространения лесного и степного пожаров, а под математической моделью понимается совокупность уравнения состояния среды и уравнений в
12
- Київ+380960830922