Математическое моделирование тушения лесного пожара капсулами с водой в термоактивной оболочке
Автор: Катаева Лилия Юрьевна, Ильичева Мария Николаевна, Лощилов Александр Андреевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
В статье предложена новая математическая модель процесса тушения лесного пожара дисперсной водой, доставляемой в очаг пожара водяными капсулами с термоактивной оболочкой. При движении в среде с температурой выше критической оболочка капсулы накапливает интегральное количество повреждений с интенсивностью, пропорциональной пройденному пути и величине превышения критической температуры. При достижении интегральным параметром значения коэффициента термоустойчивости оболочки происходит её разрыв и высвобождение воды, которая принимает дисперсную форму. При последовательном сбросе нескольких капсул каждая из них попадает в среду, температура которой формируется предыдущими сбросами капсул. После вычисления распределения дисперсной воды из капсул производится расчёт динамики лесного пожара на основе физико-математической модели. В работе выполнен анализ ключевых параметров и факторов, определяющих эффективность тушения пожара. Исследована динамика подавления горения в зависимости от количества капсул, приходящихся на единицу длины фронта пожара, значений интегрального параметра термоустойчивости оболочки и объёма сброшенной воды. Результаты численного моделирования показали, что при малом значении интегрального параметра термоустойчивости разрыв капсульной оболочки происходит на уровне верха лесного полога, поэтому для успешной ликвидации огня требуется последовательный сброс большого количества капсул. Слишком высокое значение коэффициента термоустойчивости приводит к разрыву оболочек на земле, и сброс капсул не сказывается на процессе горения в верхней части слоя растительности. Наибольший успех в борьбе с лесным пожаром достигается при разрыве термоактивной оболочки в середине высоты фронта горения. Последовательный сброс капсул позволяет распределять воду по вертикали, более полно покрывать зону уязвимости пожара и тем самым обеспечивать большую эффективность его тушения.
Лесной пожар, тушение, физико-химическая гидромеханика, численное моделирование, капсулы с водой, термоактивная оболочка
Короткий адрес: https://sciup.org/143172500
IDR: 143172500 | УДК: 517.927.4: | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.3.26
Mathematical modeling of forest fire extinguishing using water capsules with a thermoactive shell
The paper proposes a new mathematical model of the process of extinguishing a forest fire with dispersed water delivered to the fire source with water capsules with a thermoactive shell. When moving in a medium with a temperature above the critical, the capsule shell accumulates the integral value of the damage with the intensity proportional to the distance traveled and the critical temperature exceed. When the integral parameter of the thermal stability of the shell is reached, the capsule ruptures and water is released in dispersed form. During the sequential discharge of several capsules, each of them is affected by the temperature of the medium formed after exposure to the previous capsules. After calculating the distribution of dispersed water from the capsules, the calculation of the dynamics of a forest fire based on a physical and mathematical model is resumed. The analysis of key parameters and effects that determine the effectiveness of extinguishing is carried out. The extinguishing dynamics is shown for a different number of capsules per unit length of the fire front, an integral parameter of thermal stability, and the amount of water in the capsule. The results of numerical modeling showed that in the case of a small value of the capsule integral parameter of thermal stability, the capsule ruptures in the upper part of the vegetation layer, and therefore a great number of water capsules must be sequentially dumped to extinguish. Too high value of the thermal stability coefficient leads to rupture of capsules on the ground and to continuation of the combustion process in the upper part of the vegetation layer. The greatest efficiency of forest fire extinguishing occurs when the thermoactive shell of capsules ruptures in the middle of the combustion front. Sequential discharge of capsules allows one to distribute water vertically, more fully covering the zone of vulnerability of the fire. It is shown that the use of capsules with a thermoactive shell allows one to deliver water in the zone of vulnerability of the fire, thereby providing more effective firefighting.
Список литературы Математическое моделирование тушения лесного пожара капсулами с водой в термоактивной оболочке
- Vile'n T., Fernandes P.M. Forest fires in mediterranean countries: CO2 emissions and mitigation possibilities through prescribed burning // Environ. Manag. 2011. Vol. 48. P. 558-567.
- Van der Werf G.R., Randerson J.T., Giglio L., van Leeuwen T.T., Chen Y., Rogers B.M., Mu M., van Marle M.J.E., Morton D.C., Collatz G.J., Yokelson R.J., Kasibhatla P.S. Global fire emissions estimates during 1997-2016 // Earth Syst. Sci. Data. 2017. Vol. 9. P. 697-720.
- Ковалев А.Н., Журавлева Л.А. Перспективные направления тушения низовых лесных и степных пожаров // Научная жизнь. 2012. № 4. С. 153-157.
- Хасанов И.Р., Москвилин Е.А. Авиационные методы тушения крупных лесных пожаров // Материалы XV Науч.-практ. конф. "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков". Москва, 3-4 ноября 1999 г. М.: Всерос. науч.-исслед. ин-т противопожар. обороны МВД России, 1999. Ч. 1. С. 300-301.
- Абдурагимов И.М., Куприн Г.Н., Куприн Д.С. Быстротвердеющие пены - новая эра в борьбе с лесными пожарами // Пожары и ЧС. 2016. № 2. С. 7-13.
- Копылов Н.П., Карпов В.Н., Кузнецов А.Е., Д.В. Федоткин, Хасанов И.Р., Сушкина Е.Ю. Особенности тушения лесных пожаров с применением авиации // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2019. № 59. C. 79-86.
- Satoh K., Maeda I., Kuwahara K., Yang K.T. A numerical study of water dump in aerial fire fighting // Fire Safety Science. 2005. Vol. 8. P. 777-787.
- Алеханов Ю.В., Близнецов М.В., Власов Ю.А., Дудин В.И., Левушов А.Е., Логинов А.И., Ломтев С.А., Мешков Е.Е. Взаимодействие диспергированной воды с пламенем // ПЖТФ. 2003.Т. 29, № 6. С.1-6.
- Мешков Е.Е., Орешков В.О., Янбаев Г.М. Образование облака капель при разрушении водяного ядра в процессе свободного падения // ПЖТФ. 2011. Т. 37, № 15. С. 79-86.
- SEM-SAFE® by Danfoss High-Pressure Water Mist Fire Fighting System https://semsafe.danfoss.com/technologies/watermist/ (дата обращения: 04.04.2020).
- Raoult F., Lacour S., Carissimo B., Trinquet F., Delahaye A., Fournaison L. CFD water spray model development and physical parameter study on the evaporative cooling // Appl. Therm. Eng. 2019. Vol. 149. Р. 960-974.
- Śmigielski G., Lewandowski D., Dygdała R.S., Stefański K., Urbaniak W. Water capsule flight - a theoretical analysis and experimental verification // Metrology and Measurement Systems. 2009. Vol. 16. P. 313-322.
- Śmigielski G., Dygdała R., Kunz M., Lewandowski D., Stefański K. High precision delivery of a water capsule: theoretical model, numerical description, control system and results of field experiments // Proc. of the XIX IMEKO World Congress on Fundamental and Applied Metrology. Lisbon, Portugal, September 6-11, 2009. P. 2208-2213.
- Li Z., Wang Q. Experimental study of explosive water mist extinguishing fire // Procedia Engineering. 2011. Vol. 11. P. 258-267.
- Dale E.K. Simulation and modelling of water spray in the 3D explosion simulation program FLACS. The University of Bergen, 2004. 149 p. http://bora.uib.no/bitstream/handle/1956/1326/Masteroppgave-dale.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 04.04.2020).
- https://www.emicontrols.com/en/fire-fighting/application-areas/forest-fires (дата обращения: 04.04.2020).
- Aydin B., Selvi E., Tao J., Starek M.J. Use of fire-extinguishing balls for a conceptual system of drone-assisted wildfire fighting // Drones. 2019. Vol. 3. 17.
- Накоряков В.Е., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. О предельных поперечных размерах капельного облака при разрушении водяного массива в процессе падения с большой высоты // ДАН. 2017. Т. 475, № 2. С. 145-149.
- Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Шлегель Н.Е. Влияние способа подачи тушащей жидкости на площадь и скорость распространения лесного пожара // Труды седьмой Российской национальной конференции по теплообмену. РНКТ-7, Москва, 22-26 октября 2018 г. М.: Издат. дом МЭИ, 2018. С. 236-239.
- Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Няшина Г.С., Войтков И.С. Взаимодействие жидкостного аэрозоля с фронтом горения лесного горючего материала в условиях встречного потока воздуха // ИФЖ. 2019. Т. 92, № 3. С. 711-717.
- Волков Р.С., Копылов Н.П., Кузнецов Г.В., Хасанов И.Р. Экспериментальное исследование процессов подавления верхового и низового лесных пожаров // ИФЖ. 2019. Т. 92, № 6. С. 2497-2510.
- Nijdam J.J., Guo B., Fletcher D.F., Langrish T.A.G. Lagrangian and Eulerian models for simulating turbulent dispersion and coalescence of droplets within a spray // Appl. Math. Model. 2006. Vol. 30. P. 1196-1211.
- Beau P.A. Modelisation de l'atomisation d'un jet liquid. Application aux sprays diesel / PhD Dissertation, Rouen: University of Rouen. 2006. 205 p.
- Babinsky E., Sojka P.E. Modeling drop size distributions // Progr. Energ. Combust. Sci. 2002. Vol. 28. Р. 303-329.
- https://hightech.fm/2020/01/22/elbit-systems (дата обращения: 04.08.2020).
- https://caylym.com/ (дата обращения: 04.08.2020).
- Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. 407 с.
- Катаева Л.Ю., Масленников Д.А., Лощилова Н.А. Определение закономерностей подавления волны горения свободной водой в однородном пористом слое органических горючих материалов // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 3. С. 99-109.
- Бабкин А.В., Колпаков В.И., Охитин В.Н., Селиванов В.В. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 520 с.
- Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. 432 с.
- Масленников Д.А., Белоцерковская И.Е., Лощилов С.А., Катаева Л.Ю. Особенности математического моделирования распространения суммарного теплового потока при лесных пожарах. Н.Новгород: Стимул-СТ, 2012. 110 с.
- Катаева Л.Ю., Масленников Д.А., Белоцерковская И.Е. Численное моделирование динамики пожара с учетом рельефа местности и внешнего поля скоростей // Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т. 21, № 12. С. 49-58.
- Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980. 256 с.
- Гундар С.В., Денисов А.Н. Риск потерь воды при тушении лесных пожаров // Материалы XX научно-техн. конф. "Системы безопасности - 2011". Москва, 27 октября 2011 г. М.: Академия ГПС МЧС России, 2011. С. 166-169.
- Гундар С.В., Денисов А.Н., Трифонов Н.Я. Приемлемый лесопожарный риск // Пожаровзрывобезопасность. 2009. Т. 18, № 3. С. 57-66.
